Simplifier une somme avec la relation de Chasles, placer un point défini par une égalité vectorielle, démontrer un alignement, un parallélisme ou un milieu : cette série de 18 exercices corrigés couvre tout le chapitre « Calcul vectoriel dans le plan » du tronc commun scientifique et technologique, dans l'ordre du cours et résumé de calcul vectoriel.
Exercice 1 : Simplifier quatre sommes vectorielles
Facile
A, B, C, D, E sont des points quelconques du plan. Écrire chaque vecteur sous la forme d'un seul vecteur (ou du vecteur nul).
w1=CB+AC
w2=DE−DB+EA
w3=EC−ED−BC+BD
w4=3AB−2CB+2CA
Voir le corrigé
Méthode : remplacer −XY par YX, réordonner pour que chaque extrémité soit l'origine du vecteur suivant, puis appliquer la relation de Chasles.
La somme est commutative : w1=AC+CB=AB.
−DB=BD, donc w2=BD+DE+EA=BA.
On regroupe les vecteurs de même origine : EC−ED=DE+EC=DC et BD−BC=CB+BD=CD. Donc w3=DC+CD=DD=0.
−2CB+2CA=2(BC+CA)=2BA=−2AB. Donc w4=3AB−2AB=AB. Contrôle avec C=A : 3AB−2AB+0=AB.
Exercice 2 : Égalités vraies pour tous points
Moyen
Montrer que, pour tous points A, B, C, D : AB−DC=AD+CB.
Montrer que, pour tous points M, A, B, C, D : MA−MB+MC−MD=BA+DC. Le premier membre dépend-il de M ?
A, B, C sont fixés. Montrer que le vecteur MA+2MB−3MC ne dépend pas du point M, et l'exprimer en fonction de CA et CB.
Voir le corrigé
On étudie la différence des deux membres :
AB−DC−AD−CB=AB+CD+DA+BC=AB+BC+CD+DA=AA=0.
La différence est nulle, l'égalité est vraie pour tous points.
Une différence de deux vecteurs de même origine ne dépend pas de cette origine : MA−MB=BM+MA=BA et MC−MD=DM+MC=DC. La somme vaut BA+DC, qui ne contient pas M : le premier membre ne dépend pas de M.
On introduit C dans les deux premiers vecteurs avec Chasles : MA=MC+CA et MB=MC+CB. Alors
MA+2MB−3MC=(1+2−3)MC+CA+2CB=CA+2CB.
Le résultat ne contient plus M. C'est la somme des coefficients, 1+2−3=0, qui fait disparaître MC : avec une somme non nulle, le vecteur dépendrait de M.
Exercice 3 : Symétrique d’un sommet et parallélogramme
Moyen
ABC est un triangle et I le milieu de [AB]. Le point D est le symétrique de C par rapport à I, et E est le point tel que CE=AB.
Traduire les deux informations sur I par des égalités vectorielles.
Montrer que AC=DB. En déduire la nature du quadrilatère ACBD.
Montrer que B est le milieu de [DE].
Voir le corrigé
I est le milieu de [AB] : AI=IB. D est le symétrique de C par rapport à I, donc I est le milieu de [CD] : CI=ID, ce qui s'écrit aussi IC=DI.
Par Chasles, puis avec les deux égalités de la question 1 :
AC=AI+IC=IB+DI=DI+IB=DB.
L'égalité AC=DB, lue sur les points A, C, B, D, signifie que ACBD est un parallélogramme. Il n'est pas aplati, car C n'est pas sur la droite (AB). On retrouve la propriété du collège : un quadrilatère dont les diagonales [AB] et [CD] ont le même milieu est un parallélogramme.
On montre que BD+BE=0. D'après la question 2, BD=−DB=−AC=CA. Ensuite BE=BC+CE=BC+AB=AC. Donc BD+BE=CA+AC=0 : B est le milieu de [DE].
Produit d’un vecteur par un réel
Exercice 4 : Construire quatre points dans un triangle
Facile
ABC est un triangle.
Placer le point D tel que BD=23BC et le point E tel que AE=−32AC. Décrire la position de chacun.
Construire le point F tel que CF=CA+CB. Quelle est la nature du quadrilatère CAFB ?
Construire le point G tel que AG=AB−21AC.
Exprimer BF et BG en fonction de AC. En déduire que G est le milieu de [BF].
Voir le corrigé
23>0 : D est sur la demi-droite [BC), avec BD=23BC, donc au-delà de C. Plus précisément CD=CB+BD=−BC+23BC=21BC : CD=21BC. Ensuite −32<0 : E est sur la droite (AC), de l'autre côté de A par rapport à C, avec AE=32AC.
Les vecteurs CA et CB ont la même origine C. D'après la règle du parallélogramme, leur somme est CF, où F est le quatrième sommet du parallélogramme CAFB. On construit F en reportant CB à partir de A : AF=CB. En effet, CF=CA+AF par Chasles, et cette somme vaut CA+CB exactement quand AF=CB. L'égalité AF=CB, lue sur A, F, B, C, montre que AFBC, c'est-à-dire CAFB, est un parallélogramme. Il n'est pas aplati, car A, B, C ne sont pas alignés.
AG=AB+BG avec BG=−21AC : à partir de B, on reporte la moitié de AC dans le sens contraire. C'est la construction d'un vecteur de la forme au+bv, avec u=AB, v=AC, a=1 et b=−21.
AF=CB=CA+AB=AB−AC, donc BF=BA+AF=−AB+AB−AC=−AC. Par construction, BG=−21AC. Ainsi BG=21BF : G est le milieu de [BF].D dépasse C, E est de l'autre côté de A ; CAFB est un parallélogramme et G est le milieu de [BF].
Exercice 5 : Réduire et résoudre des équations vectorielles
Facile
u et v sont deux vecteurs du plan.
Réduire a=21(4u−6v)+3(v−u).
Réduire b=32(3u−23v)−41(8u−4v).
Déterminer le vecteur x tel que 2x−3u=5x+v.
Déterminer le vecteur y tel que 4(y−u)=y+2(v−y).
Voir le corrigé
On applique les règles k(u+v)=ku+kv et (k+k′)u=ku+k′u, comme pour une expression littérale.
a=2u−3v+3v−3u=−u.
b=2u−v−2u+v=0.
On regroupe les termes en x dans un membre : 2x−5x=v+3u, soit −3x=3u+v. En multipliant par −31 : x=−u−31v. Vérification : 2x−3u=−5u−32v et 5x+v=−5u−35v+v=−5u−32v.
On développe : 4y−4u=y+2v−2y=−y+2v. Donc 5y=4u+2v et y=54u+52v.
Exercice 6 : Points définis par une relation entre deux points
Moyen
A et B sont deux points tels que AB=5 cm.
Montrer qu'il existe un unique point P tel que 3PA+2PB=0, exprimer AP en fonction de AB et placer P.
Même question pour le point Q tel que QA−4QB=0.
Donner les abscisses de P et de Q dans le repère (A,B) de la droite (AB).
Existe-t-il un point R tel que 2RA−2RB=0 ?
Soient a et b deux réels avec a+b=0. Montrer qu'il existe un unique point M tel que aMA+bMB=0, et que AM=a+bbAB.
Indication
Écrire PB=PA+AB pour ne garder qu'un seul vecteur inconnu, PA, puis isoler ce vecteur.
Voir le corrigé
On introduit A dans PB :
3PA+2(PA+AB)=0⟺5PA=−2AB⟺AP=52AB.
Les équivalences montrent que la relation caractérise P, et il existe un seul point P tel que AP soit égal à un vecteur donné. P est sur [AB], à 52×5=2 cm de A, donc à 3 cm de B : il est plus proche du point qui a le plus grand coefficient.
QA−4(QA+AB)=0⟺−3QA=4AB⟺AQ=34AB. Le point Q est unique ; il est sur la demi-droite [AB), au-delà de B, avec AQ=320 cm et BQ=35 cm.
AP=52AB et AQ=34AB : dans le repère (A,B), P a pour abscisse 52 (point du segment [AB]) et Q l'abscisse 34 (au-delà de B).
2RA−2RB=2(BR+RA)=2BA. Ce vecteur ne dépend pas de R et il n'est pas nul, puisque A=B. Aucun point R ne convient.
aMA+b(MA+AB)=0⟺(a+b)MA=−bAB. Comme a+b=0, on peut multiplier par a+b1 : AM=a+bbAB, ce qui définit un unique point. Contrôle : a=3, b=2 donne 52 (question 1) ; a=1, b=−4 donne −3−4=34 (question 2). La question 4 est le cas a+b=0 exclu ici. On ne retient pas cette formule : on refait à chaque fois le calcul de la question 1.
Colinéarité : alignement et parallélisme
Exercice 7 : Vrai ou faux sur les vecteurs
Facile
Dire si chaque affirmation est vraie ou fausse. Justifier une affirmation vraie par une règle du cours, réfuter une affirmation fausse par un contre-exemple.
Si AB=CD, alors AB=CD.
Si AB=CD, alors ABCD est un parallélogramme.
Pour tous points A, B, C : AB+AC=BC.
Pour tout vecteur u : ∥−2u∥=2∥u∥.
Si A, B, C sont distincts et AB=−3AC, alors A appartient au segment [BC].
Si AB et CD sont colinéaires, les droites (AB) et (CD) sont confondues.
Si AB=2AC, alors C est le milieu de [AB].
Voir le corrigé
Faux. Avec A=B, C=B et D=A : CD=BA=AB, mais CD=BA=−AB=AB. L'égalité des longueurs ne dit rien du sens ni de la direction.
Faux. Sur une droite graduée, A(0), B(1), C(3), D(4) vérifient AB=CD, mais AB=DC : ABCD n'est pas un parallélogramme, même aplati. L'égalité AB=CD caractérise le parallélogramme ABDC.
Faux. Avec C=A et A=B, le premier membre vaut AB et le second BA. La formule correcte est AC−AB=BC.
Vrai : ∥ku∥=∣k∣×∥u∥ et ∣−2∣=2.
Vrai. AC=−31AB : les vecteurs AB et AC sont colinéaires avec l'origine commune A, donc A, B, C sont alignés. Le coefficient négatif place B et C de part et d'autre de A, donc A est entre B et C.
Faux. Dans un parallélogramme ABCD, AB=DC, donc AB et CD sont colinéaires, mais (AB) et (CD) sont deux droites parallèles distinctes.
Vrai : AC=21AB, donc C a pour abscisse 21 dans le repère (A,B) : C est sur [AB] et AC=21AB, c'est le milieu de [AB].
Exercice 8 : Démontrer un alignement dans un triangle
Moyen
ABC est un triangle, E le point tel que CE=21AB et F le point tel que AF=2AC.
Exprimer BE et BF en fonction de AB et AC.
En déduire que B, E, F sont alignés et préciser la position de E.
Retrouver ce résultat avec un théorème des milieux.
Voir le corrigé
Par Chasles en passant par A et C :
BE=BA+AC+CE=−AB+AC+21AB=−21AB+AC,BF=BA+AF=−AB+2AC.
Les coefficients de BF sont le double de ceux de BE : BF=2BE. Ces vecteurs sont colinéaires et ont l'origine B en commun, donc B, E, F sont alignés. De plus BE=21BF : E est le milieu de [BF].
Dans le triangle ABF, C est le milieu de [AF] puisque AF=2AC, et la droite (CE) est parallèle à (AB) puisque CE est colinéaire à AB. D'après le troisième théorème des milieux, cette droite coupe [BF] en son milieu K. La droite des milieux dans le triangle FAB donne CK=21AB=CE, donc K=E.
Exercice 9 : Parallèles ou non : comparer des coefficients
Moyen
u et v sont deux vecteurs non colinéaires. Des points A, B, C, D, E, F vérifient AB=3u−2v, CD=−23u+v et EF=2u+34v.
Les droites (AB) et (CD) sont-elles parallèles ?
Les droites (AB) et (EF) sont-elles parallèles ?
Partie 2 (indépendante). PQR est un triangle, M le point tel que QM=PR et N le point tel que PN=2PQ. Montrer que MN=RQ. En déduire que (MN)∥(QR) et la nature de MNQR.
Voir le corrigé
AB=0 (sinon 3u=2v, et u, v seraient colinéaires), et CD=−23u+v=−21AB=0 : les deux droites existent. Les vecteurs sont colinéaires, donc (AB)∥(CD).
On revient à la définition de la colinéarité. Les vecteurs u et v sont non nuls (un vecteur nul serait colinéaire à l'autre) et AB=0 d'après la question 1 ; de même EF=0. Il suffit donc de montrer qu'aucun réel k ne vérifie EF=kAB. Supposons 2u+34v=3ku−2kv, c'est-à-dire (2−3k)u=−(34+2k)v. Si 2−3k=0, on divise par ce réel : u serait le produit de v par un réel, donc colinéaire à v, ce qui est exclu. Donc k=32, et l'égalité devient 0=−38v, impossible puisque v=0. Les vecteurs AB et EF ne sont pas colinéaires : (AB) et (EF) ne sont pas parallèles.
Par Chasles en passant par Q et P :
MN=MQ+QP+PN=−PR−PQ+2PQ=PQ−PR=RQ.
(la dernière égalité est RP+PQ=RQ). Les vecteurs MN et QR sont colinéaires, donc (MN)∥(QR). L'égalité MN=RQ, lue sur M, N, Q, R, montre que MNQR est un parallélogramme. Il n'est pas aplati : QN=PQ n'est pas colinéaire à QR, donc N n'est pas sur (QR).
Exercice 10 : Trouver les erreurs d’une copie
Moyen
ABCD est un parallélogramme, E le milieu de [AB] et F le point tel que AF=AB−AD. À la question « les points D, E, F sont-ils alignés ? », un élève a écrit :
(a) DE=DA+AE=AD+21AB. (b) DF=DA+AF=AD+AB−AD=AB. (c) Ces vecteurs ne sont pas colinéaires, donc D, E, F ne sont pas alignés. (d) De plus, EB=21AB=21DC, donc E, B, D, C sont alignés.
Trouver l'erreur commune aux lignes (a) et (b), puis corriger DE et DF.
Répondre correctement à la question posée et préciser la position de E.
Que prouve réellement l'égalité de la ligne (d) ?
Voir le corrigé
L'élève a remplacé DA par AD, alors que DA=−AD. Corrigé : DE=−AD+21AB et DF=−AD+AB−AD=AB−2AD.
2DE=AB−2AD=DF. Les vecteurs DE et DF sont colinéaires et ont l'origine D en commun : D, E, F sont alignés, contrairement à la conclusion (c). Comme DE=21DF, E est le milieu de [DF].
EB et DC sont colinéaires mais n'ont pas de point commun : on obtient seulement (EB)∥(DC), c'est-à-dire (AB)∥(DC), ce que l'on savait déjà. Les quatre points ne sont pas alignés, puisque D n'est pas sur (AB).
Une erreur de signe dans Chasles change la conclusion. Pour la repérer, il suffit de relire chaque égalité avec la règle YX=−XY avant de comparer les coefficients.
Exercice 11 : Décomposer dans un parallélogramme, puis aligner
Moyen
ABCD est un parallélogramme. On place E tel que BE=21AB et F tel que BF=31BC.
Exprimer AE et AF en fonction de AB et AD.
En déduire DE et DF en fonction de AB et AD.
Montrer que D, F, E sont alignés et préciser la position de F sur le segment [DE].
On compare les coefficients : 23=23×1 et −1=23×(−32). Donc DE=23DF : les vecteurs sont colinéaires avec l'origine commune D, et D, F, E sont alignés. De plus DF=32DE, avec 0≤32≤1 : F est sur [DE], aux deux tiers en partant de D.La droite (DE) coupe [BC] en F : DF=32DE.
Milieu d’un segment
Exercice 12 : Trois milieux sur un segment
Facile
[AB] est un segment de longueur 8 cm et I son milieu. M est le point tel que AM=43AB et N le point tel que NA+NB=IB.
Montrer que M est le milieu de [IB].
Montrer que NI=21IB, puis que N est le milieu de [AI].
Montrer que I est le milieu de [NM] et calculer NM.
Voir le corrigé
IM=IA+AM=−21AB+43AB=41AB et MB=MA+AB=−43AB+AB=41AB. Donc IM=MB : M est le milieu de [IB], à 6 cm de A.
I est le milieu de [AB], donc, d'après la propriété caractéristique avec le point N, NA+NB=2NI. L'hypothèse devient 2NI=IB, soit NI=21IB=41AB. Alors AN=AI+IN=21AB−41AB=41AB, et NI=41AB aussi : AN=NI, donc N est le milieu de [AI], à 2 cm de A.
IN+IM=−41AB+41AB=0 : I est le milieu de [NM]. Et NM=NI+IM=21AB, donc NM=4 cm : sur la droite, N, I, M sont à 2, 4 et 6 cm de A.
Exercice 13 : Milieux des diagonales d’un quadrilatère
Moyen
ABCD est un quadrilatère, I le milieu de [AC] et J le milieu de [BD].
Montrer que 2IJ=IB+ID.
En déduire que 2IJ=AB+CD.
Montrer que ABCD est un parallélogramme si et seulement si I=J.
On suppose que DC=31AB (ABCD est un trapèze). Exprimer IJ en fonction de AB et en déduire la position de la droite (IJ).
Voir le corrigé
J est le milieu de [BD]. La propriété caractéristique du milieu, appliquée avec le point I, donne IB+ID=2IJ.
On introduit A et C : IB+ID=IA+AB+IC+CD=(IA+IC)+AB+CD. Comme I est le milieu de [AC], IA+IC=0. Donc 2IJ=AB+CD.
On enchaîne des équivalences : ABCD est un parallélogramme ⟺AB=DC⟺AB+CD=0⟺IJ=0⟺I=J. On retrouve que les diagonales d'un parallélogramme ont le même milieu, et la réciproque.
CD=−31AB, donc 2IJ=32AB et IJ=31AB. Ici I=J et IJ est colinéaire à AB : la droite (IJ) est parallèle aux bases (AB) et (DC), et IJ=31AB.
Exercice 14 : Droite des milieux dans un trapèze
Moyen
ABCD est un trapèze de bases [AB] et [DC] : les vecteurs AB et DC sont colinéaires et de même sens. I et J sont les milieux de [AD] et de [BC].
Écrire IJ de deux façons avec la relation de Chasles, l'une passant par A et B, l'autre par D et C.
En déduire que IJ=21(AB+DC).
On donne AB=9 cm et DC=5 cm. Montrer que (IJ)∥(AB) et calculer IJ.
Que devient la formule de la question 2 lorsque D=C ?
Voir le corrigé
IJ=IA+AB+BJ et IJ=ID+DC+CJ.
On additionne les deux égalités :
2IJ=(IA+ID)+AB+DC+(BJ+CJ).I est le milieu de [AD], donc IA+ID=0 ; J est le milieu de [BC], donc JB+JC=0, et son opposé BJ+CJ est nul aussi. Il reste IJ=21(AB+DC).
DC a la direction et le sens de AB, et DC=95AB, donc DC=95AB. Alors IJ=21×914AB=97AB : (IJ)∥(AB) et IJ=97×9=7 cm, la moyenne des deux bases.
Si D=C, le trapèze devient le triangle ABC, I est le milieu de [AC] et DC=0 : IJ=21AB. C'est la droite des milieux dans le triangle ABC.
Exercice 15 : Deux ensembles de points
Difficile
ABC est un triangle et I le milieu de [BC].
Justifier que, pour tout point M, MB+MC=2MI et MB−MC=CB.
Déterminer l'ensemble (Δ) des points M tels que MB+MC soit colinéaire à AB.
Déterminer l'ensemble (Γ) des points M tels que ∥MB+MC∥=∥MB−MC∥.
On suppose le triangle ABC rectangle en A. Montrer que A appartient à (Γ).
Indication
La propriété caractéristique du milieu remplace la somme de deux vecteurs par un seul vecteur 2MI : la condition ne porte plus que sur M et I.
Voir le corrigé
I est le milieu de [BC] : la propriété caractéristique donne MB+MC=2MI pour tout M. Ensuite MB−MC=CM+MB=CB.
La condition s'écrit : 2MI est colinéaire à AB, c'est-à-dire IM=kAB pour un réel k. Pour M=I, c'est vrai avec k=0. Pour M=I, cela signifie (IM)∥(AB). L'ensemble (Δ) est donc la droite passant par I et parallèle à (AB).
D'après la question 1, la condition s'écrit ∥2MI∥=∥CB∥, soit 2MI=BC, ou encore MI=21BC. L'ensemble (Γ) est le cercle de centre I et de rayon 21BC, c'est-à-dire le cercle de diamètre [BC]. Contrôle : B et C appartiennent à (Γ), puisque IB=IC=21BC.
Dans un triangle rectangle, le milieu de l'hypoténuse est à égale distance des trois sommets (propriété du collège) : IA=IB=21BC. Donc A∈(Γ). On le vérifie aussi avec les vecteurs : ∥AB+AC∥=2AI=BC=∥AB−AC∥.
Problèmes : déplacements, intersection et médiane
Exercice 16 : La tournée d’un livreur à Fès
Moyen
Dans un quartier de Fès, deux grandes avenues se croisent. On note u un déplacement de 1 km le long de la première et v un déplacement de 1 km le long de la seconde ; ces deux vecteurs ne sont pas colinéaires. Un livreur à scooter part de l'agence O et effectue quatre trajets en ligne droite :
OA=3u, AB=2v, BC=−u+v, CD=−21u−23v.
Exprimer OB, OC et OD en fonction de u et v.
Quel déplacement ramène directement le livreur de D à l'agence ?
Un restaurant R est situé de sorte que OR=u+v. Montrer que O, R, D sont alignés. Le livreur passe-t-il devant le restaurant s'il rentre en ligne droite ?
Un client habite au milieu M de [AC]. Exprimer OM en fonction de u et v.
Voir le corrigé
La relation de Chasles additionne les trajets successifs : OB=OA+AB=3u+2v, OC=OB+BC=2u+3v, OD=OC+CD=23u+23v.
Le retour direct est DO=−OD=−23u−23v. Vérification : la somme des cinq trajets OA+AB+BC+CD+DO vaut OO=0.
OD=23(u+v)=23OR : les vecteurs OD et OR sont colinéaires avec l'origine commune O, donc O, R, D sont alignés. De plus OR=32OD avec 0≤32≤1 : R est sur le segment [OD]. En rentrant en ligne droite, le livreur passe devant le restaurant, aux deux tiers du chemin en partant de l'agence.
M est le milieu de [AC] ; la propriété caractéristique avec le point O donne OA+OC=2OM. Donc OM=21(3u+2u+3v)=25u+23v.
Exercice 17 : Localiser le point d’intersection de deux droites
Difficile
ABC est un triangle, I le milieu de [AC] et E le point tel que BE=41BC. On définit le point K par AK=53AB+51AC.
Exprimer AE en fonction de AB et AC, puis montrer que A, K, E sont alignés.
Exprimer BI et BK en fonction de AB et AC, puis montrer que B, K, I sont alignés.
En déduire que K est le point d'intersection des droites (AE) et (BI), et préciser sa position sur les segments [AE] et [BI].
Indication
Question 3 : deux droites distinctes ont au plus un point commun. Il reste à justifier que (AE) et (BI) ne sont pas confondues.
Voir le corrigé
BC=BA+AC=−AB+AC, donc
AE=AB+41BC=43AB+41AC.
Or 54×43=53 et 54×41=51 : AK=54AE. Les vecteurs sont colinéaires avec l'origine commune A, donc A, K, E sont alignés.
BI=BA+AI=−AB+21AC et BK=BA+AK=−52AB+51AC. On constate que BK=52BI : B, K, I sont alignés.
K appartient aux deux droites. Elles sont distinctes : si A était sur (BI), les points A, B, I seraient alignés, et C, qui vérifie AC=2AI, serait sur (AB), ce qui est faux dans un triangle. Deux droites distinctes ayant le point K en commun sont sécantes en K. Positions : AK=54AE, donc K est sur [AE] aux quatre cinquièmes en partant de A ; BK=52BI, donc K est sur [BI] aux deux cinquièmes en partant de B.
Exercice 18 : Une relation à trois points et une médiane
Difficile
ABC est un triangle et I le milieu de [AB]. Pour tout point M, on pose w=MA+MB−2MC.
Montrer que w ne dépend pas de M et que w=2CI.
Soit E le point tel que CE=w. Montrer que I est le milieu de [CE] et donner la nature du quadrilatère ACBE.
Soit F le point tel que FA+FB+2FC=0. Montrer que F est le milieu de [IC].
Montrer que les points C, F, I, E sont alignés et que CE=4CF.
Voir le corrigé
I est le milieu de [AB], donc MA+MB=2MI. Alors w=2MI−2MC=2(CM+MI)=2CI, qui ne dépend pas de M.
CE=2CI est la troisième caractérisation du milieu : I est le milieu de [CE]. Les diagonales [AB] et [CE] du quadrilatère ACBE ont donc le même milieu I : ACBE est un parallélogramme, non aplati car C n'est pas sur (AB).
Avec le point F, la propriété caractéristique donne FA+FB=2FI. La relation devient 2FI+2FC=0, soit FI+FC=0 : F est le milieu de [IC].
CF=21CI et CE=2CI : les vecteurs CF, CI, CE sont colinéaires à CI et ont l'origine C en commun. Les points C, F, I, E sont donc sur la droite (CI), la médiane issue de C. Enfin CE=2CI=4×21CI=4CF.
Questions flash avant le devoir
Sans calculatrice, une seule bonne réponse par question. Les points cités sont quelconques sauf mention contraire.
Question 1 : Chasles dans le désordre
Flash
BC+AB est égal à :
CA
AC
BA+BC
aucun vecteur nommé : la somme ne se simplifie pas
Voir le corrigé
Réponse B. On réordonne : AB+BC=AC. L'ordre d'écriture d'une somme ne compte pas ; seul l'enchaînement des points compte. A est le vecteur opposé.
Question 2 : Lire un parallélogramme
Flash
On sait que EF=HG. Quel quadrilatère est un parallélogramme ?
EFHG
EHFG
EFGH
EGFH
Voir le corrigé
Réponse C. AB=DC⟺ABCD parallélogramme ; ici A, B, C, D sont remplacés par E, F, G, H. Les côtés [EF] et [HG] sont opposés et parcourus dans le même sens.
Question 3 : Norme d’un multiple
Flash
∥u∥=4. La norme de −25u vaut :
−10
10
6,5
1,5
Voir le corrigé
Réponse B : −25×4=10. Une norme est une longueur, jamais négative ; C et D additionnent ou soustraient au lieu de multiplier.
Question 4 : Écrire un milieu
Flash
I est le milieu de [AB]. Quelle égalité est vraie ?
BA=2IA
AI=BI
AB=2BI
IA=IB
Voir le corrigé
Réponse A : IA=21BA, puisque I est le milieu de [BA]. En B et D, les vecteurs sont opposés et non égaux ; en C, 2BI=BA=−AB.
Question 5 : Ce que prouve une colinéarité
Flash
On sait que A=B, C=D et AB=−3CD. On peut conclure que :
A, B, C, D sont alignés
les droites (AB) et (CD) sont parallèles
ABCD est un parallélogramme
AB=−3CD
Voir le corrigé
Réponse B. Les vecteurs sont colinéaires sans point commun : seul le parallélisme est sûr, les droites pouvant être distinctes (A est donc faux en général). D est impossible, une longueur étant positive : AB=3CD. C exigerait AB=DC.
Problème de synthèse type devoir surveillé
Problème : nombres entiers et vecteurs dans un parallélogramme
Type devoir
Durée conseillée : 1 h. Barème sur 20 points. Calculatrice non autorisée.
Partie A : arithmétique dans ℕ (8 points)
(2 points) Décomposer 252 et 360 en produit de facteurs premiers. En déduire leur PGCD et leur PPCM.
(1 point) Écrire la fraction 360252 sous forme irréductible.
(2 points) Montrer que, si n est un entier naturel impair, alors n2+3 est un multiple de 4.
(3 points) a est un chiffre et N le nombre de trois chiffres 3a5. Déterminer a pour que N soit divisible par 9, puis toutes les valeurs de a pour lesquelles N est divisible par 15.
Partie B : calcul vectoriel (12 points)
ABCD est un parallélogramme, I le milieu de [AD] et L le milieu de [AB]. On définit F par 2FA+FB=0 et G par AG=31AC.
(2 points) Montrer que AF=31AB, puis faire une figure.
(2 points) Exprimer BI et BG en fonction de AB et AD.
(3 points) Montrer que B, G, I sont alignés et préciser la position de G sur [BI].
(2 points) Montrer que (FG)∥(AD) et que FG=31AD.
(3 points) Montrer que D, G, L sont alignés. Que peut-on dire des droites (AC), (BI) et (DL) ?
Indication
Question 4 : critères de divisibilité par 9, par 3 et par 5, et 15=3×5. Partie B : écrire tous les vecteurs sous la forme aAB+bAD, avec AC=AB+AD.
Voir le corrigé
252=22×32×7 et 360=23×32×5. Le PGCD est le produit des facteurs communs avec le plus petit exposant : 22×32=36. Le PPCM est le produit de tous les facteurs avec le plus grand exposant : 23×32×5×7=2520. Contrôle : 36×2520=90720=252×360.
360252=36×1036×7=107, fraction irréductible puisque 7 et 10 n'ont pas de diviseur commun autre que 1.
Si n est impair, il existe un entier naturel k tel que n=2k+1. Alors n2+3=4k2+4k+1+3=4(k2+k+1), et k2+k+1 est un entier naturel : n2+3 est un multiple de 4.
La somme des chiffres de N vaut 3+a+5=8+a, avec 8≤8+a≤17. N est divisible par 9 si et seulement si 8+a l'est, donc 8+a=9 et a=1 : N=315=9×35. Ensuite, 3 et 5 sont premiers entre eux, donc N est divisible par 15 si et seulement s'il est divisible par 3 et par 5. Son chiffre des unités est 5, il est toujours divisible par 5. Il est divisible par 3 si et seulement si 8+a∈{9;12;15}, soit a∈{1;4;7}. Les nombres obtenus sont 315=15×21, 345=15×23 et 375=15×25.
On introduit A dans FB : 2FA+FA+AB=0, donc 3FA=−AB et AF=31AB : F est sur [AB], au tiers en partant de A.Les droites (AC), (BI) et (DL) passent par G ; FG=31AD.
BI=BA+AI=−AB+21AD. Avec AC=AB+AD (règle du parallélogramme) : BG=BA+AG=−AB+31AB+31AD=−32AB+31AD.
32×(−1)=−32 et 32×21=31, donc BG=32BI. Les vecteurs sont colinéaires avec l'origine commune B : B, G, I sont alignés, et G est sur [BI], aux deux tiers en partant de B.
FG=FA+AG=−31AB+31AB+31AD=31AD. Les vecteurs sont colinéaires, donc (FG)∥(AD), et FG=31AD. Les droites sont distinctes car F, point de [AB] différent de A, n'est pas sur (AD).
DL=DA+AL=21AB−AD et DG=DA+AG=31AB−32AD. Donc DG=32DL : D, G, L sont alignés. Le point G est sur (AC) par définition, sur (BI) d'après la question 7 et sur (DL) : les trois droites sont concourantes en G.
Barème indicatif : partie A, 2 + 1 + 2 + 3 = 8 points ; partie B, 2 + 2 + 3 + 2 + 3 = 12 points ; total 20. Dans le triangle ABD, les droites (BI), (DL) et (AC), qui passe par le milieu de [BD], sont les trois médianes : on retrouve la propriété du collège selon laquelle les médianes d'un triangle sont concourantes.