Portail Éducatif de Mathématiques
  • À Propos
  • Contact
  • Politique de Confidentialité
  • SAKWILATOP Ressources Pédagogiques Collège & Lycée

    Calcul vectoriel dans le plan TC

    Publicité
    Article pédagogique : Le calcul vectoriel dans le plan — Tronc Commun Scientifique

    Le calcul vectoriel dans le plan : fondements, configurations et méthodes

    Une approche didactique unifiant l'intuition géométrique du collège et l'outil vectoriel du lycée : de la relation de Chasles à la colinéarité, aux caractérisations du milieu et au centre de gravité.

    Avertissement : Le moteur MathJax n'a pas pu se connecter au CDN. Ouvrez ce fichier dans un navigateur connecté à Internet pour visualiser l'ensemble des formules $\LaTeX$.

    Au collège, l'étude géométrique repose essentiellement sur des grandeurs scalaires (longueurs, angles, aires) et sur les transformations isométriques du plan (symétries, translations). En entrant au Tronc Commun Scientifique, l'élève franchit un cap conceptuel majeur avec l'introduction du calcul vectoriel.

    Le vecteur n'est pas seulement un « segment fléché » ; c'est un opérateur de translation doté d'une structure algébrique propre. Il permet de transformer des problèmes de parallélisme, d'alignement ou d'intersection en équations algébriques simplifiées, reliant directement la géométrie pure à la physique mécanique (forces, vitesses).

    I Notions fondamentales : qu'est-ce qu'un vecteur ?

    Définition 1 — Caractérisation d'un vecteur non nul

    Soient $A$ et $B$ deux points distincts du plan. Le vecteur $\vec{AB}$ est l'objet géométrique défini par le triplet :

    1. Sa direction : la droite $(AB)$, c'est-à-dire l'inclinaison de la ligne de soutien ;
    2. Son sens : l'orientation du parcours, de l'origine $A$ vers l'extrémité $B$ ;
    3. Sa norme (longueur) : la distance réelle positive séparant $A$ et $B$, notée $\lVert \vec{AB} \rVert = AB$.
    A (Origine) B (Extrémité) u⃗ = AB⃗ Direction : droite (AB) | Norme : distance AB
    Figure 1 : Les trois composantes d'un vecteur non nul : direction, sens et norme.

    Cas singuliers et égalité vectorielle

    • Le vecteur nul : Si les points $A$ et $B$ sont confondus ($A=B$), le vecteur $\vec{AA}$ est appelé vecteur nul, noté $\vec{0}$. Sa norme est nulle ($\lVert\vec{0}\rVert = 0$), et il ne possède ni direction ni sens privilégié.
    • Vecteurs opposés : Pour tous points $A$ et $B$, on a $\vec{BA} = -\vec{AB}$. Ils possèdent même direction et même norme, mais des sens opposés.
    Théorème 1 — Égalité vectorielle et parallélogramme

    Soient quatre points $A, B, C, D$ du plan :

    \[ \vec{AB} = \vec{CD} \iff \text{le quadrilatère } ABDC \text{ (attention à l'ordre des sommets) est un parallélogramme}. \]

    Cette condition reste valide sous forme aplatie lorsque les quatre points appartiennent à une même droite.

    A B C D AB⃗ CD⃗
    Figure 2 : L'égalité $\vec{AB} = \vec{CD}$ impose que le quadrilatère $ABDC$ soit un parallélogramme.

    II Algèbre des vecteurs : somme et produit externe

    1. L'addition vectorielle et la relation de Chasles

    L'addition des vecteurs traduit la composition des translations dans le plan : translater d'abord de $A$ à $B$, puis de $B$ à $C$, équivaut globalement à translater directement de $A$ à $C$.

    Théorème 2 — Relation de Chasles

    Pour tous points $A, B$ et $C$ du plan :

    \[ \vec{AB} + \vec{BC} = \vec{AC} \]
    A B C AB⃗ BC⃗ AC⃗ = AB⃗ + BC⃗
    Figure 3 : Chaînage vectoriel de Chasles : le point pivot $B$ s'efface dans la résultante.
    Méthode de calcul — Décomposition de Chasles

    Pour démontrer une relation vectorielle faisant intervenir un point $O$ quelconque, on décompose systématiquement les vecteurs :

    \[ \vec{AB} = \vec{AO} + \vec{OB} = \vec{OB} - \vec{OA} \]

    Cette technique est le pivot de presque toutes les démonstrations du programme de Tronc Commun.

    2. Multiplication d'un vecteur par un réel (loi externe)

    Soient $\vec{u}$ un vecteur et $k \in \mathbb{R}$ un scalaire :

    • Si $k = 0$ ou $\vec{u} = \vec{0}$, alors $k\vec{u} = \vec{0}$ ;
    • Si $k \neq 0$ et $\vec{u} \neq \vec{0}$, le vecteur $k\vec{u}$ est caractérisé par :
      • La même direction que $\vec{u}$ ;
      • Le même sens que $\vec{u}$ si $k > 0$, ou le sens opposé si $k < 0$ ;
      • Une norme dilatée : $\lVert k\vec{u} \rVert = |k| \times \lVert \vec{u} \rVert$.
    u⃗ 3u⃗ (k = 3 > 0) -1.5u⃗ (k = -1.5 < 0)
    Figure 4 : Effet du signe et de la valeur absolue du coefficient réel $k$ sur le vecteur résultant $k\vec{u}$.
    Propriétés opératoires usuelles

    L'ensemble des vecteurs du plan vérifie les règles de calcul associatives et distributives analogues aux réels :

    \[ k(\vec{u} + \vec{v}) = k\vec{u} + k\vec{v} \qquad (k + \ell)\vec{u} = k\vec{u} + \ell\vec{u} \qquad k(\ell\vec{u}) = (k\ell)\vec{u} \qquad 1\cdot\vec{u} = \vec{u} \]

    III La colinéarité : clé de l'alignement et du parallélisme

    Théorème 3 — Condition de colinéarité

    Deux vecteurs $\vec{u}$ et $\vec{v}$ sont dits colinéaires s'il existe un nombre réel $k$ tel que :

    \[ \vec{u} = k\,\vec{v} \quad \text{ou} \quad \vec{v} = k\,\vec{u}. \]

    Le vecteur nul $\vec{0}$ est, par convention, colinéaire à tout vecteur du plan.

    La colinéarité est l'outil central pour traiter les deux grandes configurations de la géométrie affine :

    Problème géométrique Traduction vectorielle équivalente Mise en œuvre
    Parallélisme : $(AB) \parallel (CD)$ $\vec{AB}$ et $\vec{CD}$ sont colinéaires Établir l'existence de $k \in \mathbb{R}^*$ tel que $\vec{CD} = k\vec{AB}$.
    Alignement : $A, B, C$ sont alignés $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$ sont colinéaires Trouver un réel $k$ vérifiant $\vec{AC} = k\vec{AB}$ (point commun $A$).

    Approche analytique : le déterminant de deux vecteurs

    Dans un repère $(O ; \vec{i}, \vec{j})$, soient $\vec{u}(x ; y)$ et $\vec{v}(x' ; y')$. Le déterminant de ces deux vecteurs est le scalaire :

    \[ \det(\vec{u}, \vec{v}) = \begin{vmatrix} x & x' \\ y & y' \end{vmatrix} = x y' - y x' \]
    Critère analytique de colinéarité
    \[ \vec{u} \text{ et } \vec{v} \text{ sont colinéaires} \iff \det(\vec{u}, \vec{v}) = 0 \iff x y' - y x' = 0 \]

    IV Milieu d'un segment et centre de gravité d'un triangle

    1. Caractérisation vectorielle du milieu

    Théorème 4 — Formulations équivalentes du milieu

    Soit $[AB]$ un segment et $I$ un point du plan. Les assertions suivantes sont équivalentes :

    1. $I$ est le milieu du segment $[AB]$ ;
    2. $\vec{IA} + \vec{IB} = \vec{0}$ ;
    3. $\vec{AB} = 2\vec{AI}$ (ou $\vec{AI} = \frac{1}{2}\vec{AB}$) ;
    4. Pour tout point $M$ du plan : $\vec{MA} + \vec{MB} = 2\vec{MI}$.
    Démonstration de la relation universelle $\vec{MA} + \vec{MB} = 2\vec{MI}$

    Soit $M$ un point quelconque. En insérant le point $I$ par Chasles :

    \[ \vec{MA} + \vec{MB} = (\vec{MI} + \vec{IA}) + (\vec{MI} + \vec{IB}) = 2\vec{MI} + (\vec{IA} + \vec{IB}) \]

    Comme $I$ est le milieu de $[AB]$, $\vec{IA} + \vec{IB} = \vec{0}$, d'où $\vec{MA} + \vec{MB} = 2\vec{MI}$.

    2. Le centre de gravité d'un triangle

    Considérons un triangle non aplati $ABC$. On note $A', B', C'$ les milieux respectifs de ses côtés opposés $[BC], [AC], [AB]$.

    Théorème 5 — Concours des médianes et centre de gravité

    Les trois médianes $(AA'), (BB'), (CC')$ se coupent en un point unique $G$, appelé centre de gravité du triangle $ABC$. Il est caractérisé par :

    \[ \vec{GA} + \vec{GB} + \vec{GC} = \vec{0} \]

    De plus, pour chaque médiane, $G$ est situé aux deux tiers du segment en partant du sommet :

    \[ \vec{AG} = \frac{2}{3}\vec{AA'} \qquad \vec{BG} = \frac{2}{3}\vec{BB'} \qquad \vec{CG} = \frac{2}{3}\vec{CC'} \]

    Et pour tout point $M$ du plan :

    \[ \vec{MA} + \vec{MB} + \vec{MC} = 3\vec{MG} \]
    A B C A' (milieu de [BC]) B' C' G (2/3)
    Figure 5 : Les médianes concourantes en $G$. Le point $G$ vérifie $\vec{AG} = \frac{2}{3}\vec{AA'}$ et $\vec{GA}+\vec{GB}+\vec{GC}=\vec{0}$.

    3. Le théorème de la droite des milieux

    Dans un triangle $ABC$, si $I$ est le milieu de $[AB]$ et $J$ le milieu de $[AC]$, alors :

    \[ \vec{IJ} = \frac{1}{2}\vec{BC} \]

    On en déduit immédiatement la double conclusion géométrique :

    • $(IJ) \parallel (BC)$ (par colinéarité des vecteurs) ;
    • $IJ = \frac{1}{2} BC$ (par passage aux normes).

    V Travaux pratiques dirigés : 6 exercices résolus étape par étape

    Exercice 1 — Maîtrise et réduction par la relation de Chasles

    Simplifier au maximum les trois expressions vectorielles suivantes :

    1. $\vec{u} = \vec{AB} + \vec{BC} + \vec{CD} + \vec{DE}$
    2. $\vec{v} = \vec{AB} - \vec{AC} + \vec{DC} - \vec{DB}$
    3. $\vec{w} = 2\vec{AB} + 3\vec{BC} - \vec{AC}$
    Solution détaillée pas à pas
    Question a : En combinant les termes consécutifs selon la relation de Chasles : \[ \vec{u} = (\vec{AB} + \vec{BC}) + \vec{CD} + \vec{DE} = (\vec{AC} + \vec{CD}) + \vec{DE} = \vec{AD} + \vec{DE} = \vec{AE} \] Conclusion : $\vec{u} = \vec{AE}$.
    Question b : Transformons les soustractions en additions de vecteurs opposés ($-\vec{XY} = \vec{YX}$) : \[ \vec{v} = \vec{AB} + \vec{CA} + \vec{DC} + \vec{BD} \] Réorganisons les termes pour faire apparaître les points de raccord : \[ \vec{v} = (\vec{CA} + \vec{AB}) + (\vec{BD} + \vec{DC}) = \vec{CB} + \vec{BC} = \vec{CC} = \vec{0} \] Conclusion : $\vec{v} = \vec{0}$.
    Question c : Scindons le coefficient $3$ pour isoler une combinaison $2(\vec{AB} + \vec{BC})$ : \[ \vec{w} = 2\vec{AB} + 2\vec{BC} + \vec{BC} - \vec{AC} = 2(\vec{AB} + \vec{BC}) + \vec{BC} - \vec{AC} \] Par Chasles, $\vec{AB} + \vec{BC} = \vec{AC}$ : \[ \vec{w} = 2\vec{AC} + \vec{BC} - \vec{AC} = \vec{AC} + \vec{BC} \] Comme $\vec{AC} = \vec{AB} + \vec{BC}$ : \[ \vec{w} = \vec{AB} + \vec{BC} + \vec{CB} = \vec{AB} + (\vec{BC} + \vec{CB}) = \vec{AB} + \vec{0} = \vec{AB} \] Conclusion : $\vec{w} = \vec{AB}$.
    Exercice 2 — Traitement analytique, normes et test de colinéarité

    Dans un repère orthonormé $(O ; \vec{i}, \vec{j})$, on donne les points $A(1 ; 2)$, $B(4 ; 6)$ et $C(2 ; -1)$.

    1. Déterminer les coordonnées des vecteurs $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$.
    2. Calculer les longueurs exactes $AB$ et $AC$.
    3. Les points $A, B$ et $C$ sont-ils alignés ? Justifier algébriquement.
    Solution détaillée pas à pas
    1. Coordonnées des vecteurs : \[ \vec{AB} = \begin{pmatrix} x_B - x_A \\ y_B - y_A \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 - 1 \\ 6 - 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \end{pmatrix} \] \[ \vec{AC} = \begin{pmatrix} x_C - x_A \\ y_C - y_A \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 - 1 \\ -1 - 2 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 1 \\ -3 \end{pmatrix} \]
    2. Calcul des normes : Le repère étant orthonormé : \[ AB = \lVert\vec{AB}\rVert = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5 \] \[ AC = \lVert\vec{AC}\rVert = \sqrt{1^2 + (-3)^2} = \sqrt{1 + 9} = \sqrt{10} \]
    3. Test d'alignement : Calculons le déterminant des vecteurs $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$ : \[ \det(\vec{AB}, \vec{AC}) = \begin{vmatrix} 3 & 1 \\ 4 & -3 \end{vmatrix} = 3 \times (-3) - 4 \times 1 = -9 - 4 = -13 \] Comme $\det(\vec{AB}, \vec{AC}) = -13 \neq 0$, les vecteurs $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$ ne sont pas colinéaires. Par conséquent, les points $A, B$ et $C$ ne sont pas alignés (ils forment un triangle non dégénéré).
    Exercice 3 — Démontrer la nature d'un quadrilatère (parallélogramme)

    On donne les coordonnées suivantes dans un repère du plan : $A(1 ; 3)$, $B(5 ; 5)$, $C(7 ; 1)$ et $D(3 ; -1)$.

    Montrer rigoureusement que le quadrilatère $ABCD$ est un parallélogramme, puis déterminer les coordonnées de son centre de symétrie $\Omega$.

    Solution détaillée pas à pas
    Étape 1 : Égalité vectorielle Pour prouver que $ABCD$ est un parallélogramme, montrons que $\vec{AB} = \vec{DC}$ : \[ \vec{AB} = \begin{pmatrix} 5 - 1 \\ 5 - 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 \\ 2 \end{pmatrix} \] \[ \vec{DC} = \begin{pmatrix} 7 - 3 \\ 1 - (-1) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 4 \\ 2 \end{pmatrix} \] Puisque les vecteurs $\vec{AB}$ et $\vec{DC}$ ont les mêmes composantes, $\vec{AB} = \vec{DC}$. Donc $ABCD$ est un parallélogramme.
    Étape 2 : Centre de symétrie Le centre $\Omega$ du parallélogramme est le milieu commun des diagonales $[AC]$ et $[BD]$ : \[ x_\Omega = \frac{x_A + x_C}{2} = \frac{1 + 7}{2} = 4 \qquad y_\Omega = \frac{y_A + y_C}{2} = \frac{3 + 1}{2} = 2 \] Vérification sur $[BD]$ : $\big(\frac{5+3}{2} ; \frac{5+(-1)}{2}\big) = (4 ; 2)$. Le centre de symétrie est bien $\Omega(4 ; 2)$.
    Exercice 4 — Calcul des milieux et positionnement du centre de gravité

    Soit le triangle $ABC$ défini par $A(2 ; 1)$, $B(4 ; 5)$ et $C(-2 ; 3)$.

    1. Déterminer les coordonnées des milieux $A', B', C'$ respectifs des côtés $[BC], [AC], [AB]$.
    2. Calculer les coordonnées du centre de gravité $G$ de deux manières différentes.
    3. Vérifier la relation fondamentale $\vec{AG} = \frac{2}{3}\vec{AA'}$.
    Solution détaillée pas à pas
    1. Coordonnées des milieux : \[ A' = \left(\frac{4 + (-2)}{2} ; \frac{5 + 3}{2}\right) = (1 ; 4) \] \[ B' = \left(\frac{2 + (-2)}{2} ; \frac{1 + 3}{2}\right) = (0 ; 2) \] \[ C' = \left(\frac{2 + 4}{2} ; \frac{1 + 5}{2}\right) = (3 ; 3) \]
    2. Deux méthodes pour $G$ :

    Méthode isobarycentrique :

    \[ x_G = \frac{x_A + x_B + x_C}{3} = \frac{2 + 4 - 2}{3} = \frac{4}{3} \] \[ y_G = \frac{y_A + y_B + y_C}{3} = \frac{1 + 5 + 3}{3} = \frac{9}{3} = 3 \implies G\left(\frac{4}{3} ; 3\right) \]

    Méthode de la médiane : $G$ vérifie $\vec{OG} = \vec{OA} + \frac{2}{3}\vec{AA'}$. On trouve identiquement $\big(\frac{4}{3} ; 3\big)$.

    3. Vérification vectorielle : \[ \vec{AG} = \begin{pmatrix} \frac{4}{3} - 2 \\ 3 - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\frac{2}{3} \\ 2 \end{pmatrix} \] \[ \vec{AA'} = \begin{pmatrix} 1 - 2 \\ 4 - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -1 \\ 3 \end{pmatrix} \implies \frac{2}{3}\vec{AA'} = \begin{pmatrix} -\frac{2}{3} \\ \frac{2}{3}\times 3 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} -\frac{2}{3} \\ 2 \end{pmatrix} \] On a rigoureusement $\vec{AG} = \frac{2}{3}\vec{AA'}$.
    Exercice 5 — Démonstration vectorielle pure du théorème de la droite des milieux

    Soit $ABC$ un triangle quelconque. On note $M$ le milieu de $[AB]$ et $N$ le point défini par l'égalité vectorielle $\vec{AN} = \frac{1}{2}\vec{AC}$.

    Sans utiliser de repère, démontrer que la droite $(MN)$ est parallèle à $(BC)$ et que $MN = \frac{1}{2}BC$.

    Solution détaillée pas à pas
    Étape 1 : Expression des vecteurs de base $M$ étant le milieu de $[AB]$, on a $\vec{AM} = \frac{1}{2}\vec{AB}$. L'énoncé donne directement $\vec{AN} = \frac{1}{2}\vec{AC}$.
    Étape 2 : Décomposition de Chasles Exprimons le vecteur $\vec{MN}$ en fonction de $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$ : \[ \vec{MN} = \vec{MA} + \vec{AN} = -\vec{AM} + \vec{AN} \] En substituant les expressions : \[ \vec{MN} = -\frac{1}{2}\vec{AB} + \frac{1}{2}\vec{AC} = \frac{1}{2}(\vec{AC} - \vec{AB}) \] Or, par Chasles, $\vec{AC} - \vec{AB} = \vec{BA} + \vec{AC} = \vec{BC}$. D'où : \[ \vec{MN} = \frac{1}{2}\vec{BC} \]
    Étape 3 : Conclusions géométriques
    1. Parallélisme : $\vec{MN} = \frac{1}{2}\vec{BC}$, donc $\vec{MN}$ et $\vec{BC}$ sont colinéaires, ce qui prouve que $(MN) \parallel (BC)$.
    2. Longueur : En passant à la norme : $\lVert\vec{MN}\rVert = \left\lVert\frac{1}{2}\vec{BC}\right\rVert = \frac{1}{2}\lVert\vec{BC}\rVert$, d'où $MN = \frac{1}{2}BC$.
    Exercice 6 — Analyse comparative : alignement de points et parallélisme de droites

    Dans un repère $(O ; \vec{i}, \vec{j})$, on donne les points $A(1 ; 1)$, $B(3 ; 4)$, $C(7 ; 10)$, $D(2 ; -2)$ et $E(5 ; 2)$.

    1. Les points $A, B$ et $C$ sont-ils alignés ?
    2. Les droites $(AB)$ et $(DE)$ sont-elles parallèles ou sécantes ?
    Solution détaillée pas à pas
    1. Alignement des points $A, B, C$ : Déterminons les composantes de $\vec{AB}$ et $\vec{AC}$ : \[ \vec{AB} = \begin{pmatrix} 3 - 1 \\ 4 - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 2 \\ 3 \end{pmatrix} \qquad \vec{AC} = \begin{pmatrix} 7 - 1 \\ 10 - 1 \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 6 \\ 9 \end{pmatrix} \] Test du déterminant : \[ \det(\vec{AB}, \vec{AC}) = 2 \times 9 - 3 \times 6 = 18 - 18 = 0 \] On constate d'ailleurs que $\vec{AC} = 3\vec{AB}$. Les vecteurs étant colinéaires et partageant l'origine $A$, les points $A, B$ et $C$ sont alignés sur la droite $(AB)$.
    2. Position relative de $(AB)$ et $(DE)$ : Calculons les coordonnées du vecteur directeur de $(DE)$ : \[ \vec{DE} = \begin{pmatrix} 5 - 2 \\ 2 - (-2) \end{pmatrix} = \begin{pmatrix} 3 \\ 4 \end{pmatrix} \] Calculons le déterminant entre $\vec{AB}(2 ; 3)$ et $\vec{DE}(3 ; 4)$ : \[ \det(\vec{AB}, \vec{DE}) = \begin{vmatrix} 2 & 3 \\ 3 & 4 \end{vmatrix} = 2 \times 4 - 3 \times 3 = 8 - 9 = -1 \neq 0 \] Le déterminant n'étant pas nul, les vecteurs directeurs $\vec{AB}$ et $\vec{DE}$ ne sont pas colinéaires. Les droites $(AB)$ et $(DE)$ ne sont pas parallèles : elles sont strictement sécantes en un point du plan.

    VI Synthèse — Les réflexes méthodologiques du Tronc Commun

    Erreurs classiques à éviter en contrôle
    • Confusion scalaire/vecteur : Ne jamais écrire $AB = \vec{AB}$ ni additionner un nombre et un vecteur ($2 + \vec{u}$ est dénué de sens).
    • Ordre des points dans le parallélogramme : $\vec{AB} = \vec{CD}$ signifie que $AB\mathbf{DC}$ est un parallélogramme (les diagonales sont $[AD]$ et $[BC]$). Écrire que $ABCD$ est un parallélogramme correspond à $\vec{AB} = \vec{DC}$.
    • Oubli de la flèche de vecteur : Tout vecteur (y compris le vecteur nul $\vec{0}$) doit obligatoirement porter une flèche. Écrire $\vec{u} + \vec{v} = 0$ au lieu de $\vec{0}$ est compté comme une faute d'écriture mathématique.

    Ressource pour l'enseignement secondaire qualifiant au Maroc — Discipline : Mathématiques • Niveau : Tronc Commun Scientifique et Technologique • Conforme aux orientations pédagogiques officielles du Ministère de l'Éducation Nationale.

    Publicité

    Commentaires