Calculer et interpréter un produit scalaire dans un repère
orthonormé.
Utiliser le produit scalaire pour démontrer une orthogonalité,
calculer une longueur ou un angle.
Reconnaître un vecteur normal et caractériser l’orthogonalité
d’une droite et d’un plan.
Déterminer un projeté orthogonal et une distance à une droite ou
à un plan.
Cadre du cours. Le thème « Orthogonalité et
distances dans l’espace » fait partie du programme de spécialité de
terminale générale. Le cœur étudié ici correspond au programme publié au
Bulletin officiel spécial no 8 du 25 juillet 2019, encore en
vigueur pour une terminale en 2026–2027. Il est également repris dans le
programme publié au Bulletin officiel no 14 du 2 avril 2026,
dont l’application en terminale est prévue à la rentrée 2027–2028. Les
exercices de ce fascicule sont créés pour l’apprentissage et ne sont pas
des sujets officiels.
Organisation conseillée. Prévoir cinq séances de 35
à 45 minutes, avec une pause courte si nécessaire :
diagnostic, produit scalaire et norme ;
orthogonalité des vecteurs, des droites et d’une droite avec un
plan ;
projections et distance à une droite ;
projection et distance à un plan, puis plan médiateur ;
exercice de synthèse, rédaction et rappel différé.
Les exercices sont dans ce fascicule avec leurs indices. Les
corrections détaillées se trouvent dans le fascicule séparé
corrections séparées. Essaie d’abord la question, consulte son
indice si nécessaire, puis seulement la correction.
Fiche 01 / 08
Avant de commencer : diagnostic et rappels
Durée indicative : 12 minutes, sans note et sans
calculatrice. Ce diagnostic sert à repérer les prérequis
utiles, pas à attribuer une note. Si une question bloque, écrire
simplement « à revoir » et continuer. Les réponses sont dans le
fascicule séparé des corrections.
Dans un repère orthonormé de l’espace, calculer la norme du
vecteur
.
Calculer
pour
et
.
Avec
et
,
calculer
.
Le point
appartient-il au plan d’équation
? Et le point
?
Résoudre l’équation
.
Dans une figure, que signifie «
est le projeté orthogonal de
sur une droite » ? Répondre avec une phrase et une relation
d’orthogonalité.
Les prérequis indispensables
Le repère orthonormé. Un repère de l’espace possède
trois axes. Il est orthonormé lorsque les axes sont perpendiculaires
deux à deux et que l’unité de longueur est la même sur les trois axes.
Dans ce repère, les coordonnées permettent de calculer des longueurs
avec le théorème de Pythagore.
Coordonnées d’un vecteur. Si
et
,
alors
On retient la phrase « arrivée moins départ ». Par exemple,
Carrés et racines carrées. Pour un vecteur
,
les nombres
,
et
sont toujours positifs ou nuls. Une longueur s’écrit avec une racine
carrée positive :
,
et non
.
Équation d’un plan. Pour vérifier si
appartient au plan
,
on remplace
,
et
par les coordonnées de
.
Si l’égalité est vraie, le point appartient au plan.
Équation simple. On transforme une équation en
conservant l’égalité :
À retenir
Avant de chercher une orthogonalité ou une distance, vérifier trois
choses : le repère est-il orthonormé ? Les coordonnées ont-elles été
calculées dans le bon ordre ? Les nombres et les unités sont-ils
cohérents ?
Dans le plan comme dans l’espace, deux directions peuvent être
perpendiculaires, proches, ou orientées en sens opposés. Le produit
scalaire transforme cette comparaison en un nombre :
un produit scalaire nul indique une orthogonalité ;
un produit scalaire positif indique que les directions vont
globalement dans le même sens ;
un produit scalaire négatif indique qu’elles vont globalement en
sens opposés.
Le produit scalaire ne donne pas une nouvelle direction : il donne un
nombre réel. Cette différence est importante.
Calcul dans un repère
orthonormé
Soient
et
deux vecteurs de l’espace. Dans une base orthonormée, leur produit
scalaire est défini par
On multiplie les coordonnées qui occupent la même place, puis on
additionne les trois résultats.
Le produit scalaire est symétrique et
bilinéaire :
où
est un nombre réel.
Exemple entièrement détaillé
On considère
et
.
Pour calculer le produit scalaire, on associe chaque coordonnée à celle
qui lui correspond :
Le produit scalaire est
nul. Les deux vecteurs non nuls sont donc orthogonaux :
L’annulation vient des signes ; il ne faut pas remplacer le produit
scalaire par une somme des coordonnées.
Orthogonalité de deux
vecteurs
Deux vecteurs non nuls sont orthogonaux lorsque
leurs directions sont perpendiculaires. Dans un repère orthonormé :
Le
vecteur nul a un produit scalaire nul avec tous les vecteurs, mais il
n’a pas de direction. Lorsque l’on parle d’une droite ou d’un angle, les
vecteurs utilisés comme directions doivent donc être non nuls.
Norme et distance
La norme d’un vecteur est sa longueur. Elle se
déduit du produit scalaire :
Si
,
alors
La distance entre deux points est la norme du vecteur qui les relie :
Exemple entièrement détaillé
On considère
et
.
D’abord, on calcule le vecteur qui va de
vers
:
La distance est la norme de ce vecteur :
La longueur est positive,
comme toute distance. Une valeur approchée est
unités si l’on utilise une calculatrice à la fin.
Angle entre deux vecteurs
Si
et
sont non nuls, et si
est l’angle compris entre leurs directions, alors
Donc
Cette formule est valable seulement lorsque les deux vecteurs sont non
nuls. Pour obtenir une mesure en degrés avec la calculatrice, vérifier
que le mode degrés est sélectionné.
Exemple entièrement détaillé
Soient
et
.
On commence par le produit scalaire :
Les normes valent
Ainsi,
Comme
est compris entre
et
,
on obtient
.
Développer une norme au
carré
Le produit scalaire permet de développer une longueur au carré :
De même,
En isolant le produit scalaire, on obtient une formule de polarisation :
Ces formules sont surtout utiles lorsqu’un énoncé donne des longueurs
plutôt que des coordonnées.
À retenir
Produit scalaire : une somme de trois produits. Orthogonalité : le
produit scalaire vaut zéro. Norme :
.
Distance entre deux points : norme du vecteur « arrivée moins départ
».
Produit scalaire : comparer les directions
u · v = 2 × (-1) + 1 × (2) = 0 Angle ≈ 90° ; norme de v ≈ 2,24 unités. Les directions sont orthogonales. Repère orthonormé, axes gradués en unités. Vue projetée : longueurs et angles peuvent être déformés.
Fiche 03 / 08
2.
Orthogonalité dans les configurations de l’espace
Deux droites
Un vecteur non nul dont la direction est celle d’une droite est un
vecteur directeur de cette droite. Pour étudier
l’orthogonalité de deux droites, on choisit un vecteur directeur pour
chacune et on calcule leur produit scalaire.
Si
et
sont des vecteurs directeurs non nuls de deux droites
et
,
alors leurs directions sont orthogonales si
Si les deux droites se coupent, on peut alors dire qu’elles sont
perpendiculaires. Dans l’espace, deux droites peuvent
avoir des directions orthogonales sans se couper : il faut donc
distinguer la direction et la position des droites.
Méthode
Pour montrer que deux droites sont perpendiculaires :
trouver un vecteur directeur non nul de chaque droite ;
calculer leur produit scalaire ;
vérifier que les droites ont un point commun si l’énoncé demande
des droites perpendiculaires, et rédiger la conclusion.
Vecteur normal et plan
Un vecteur non nul
est normal à un plan
s’il est orthogonal à toutes les directions de ce plan. Si
et
sont deux directions non colinéaires de
,
il suffit de vérifier
Une équation cartésienne du plan de vecteur normal
et passant par
est
En effet, un point
appartient au plan si et seulement si
est orthogonal au vecteur normal :
Exemple entièrement détaillé
On cherche une équation du plan
passant par
et normal au vecteur
.
Soit
un point quelconque.
On calcule
La condition d’appartenance est l’orthogonalité avec
:
Ainsi,
Le point
vérifie bien l’équation :
.
Le vecteur
est bien un vecteur normal.
Une droite perpendiculaire
à un plan
Une droite est perpendiculaire à un plan lorsque son vecteur
directeur est colinéaire à un vecteur normal du plan. Si
dirige la droite et
est normal au plan, on cherche donc un nombre réel non nul
tel que
Il ne suffit pas de montrer qu’une droite est orthogonale à une seule
droite du plan : elle doit être orthogonale à toutes les directions du
plan.
Exemple entièrement détaillé
Dans le plan
de l’exemple précédent, un vecteur normal est
.
La droite
dirigée par
est perpendiculaire à
,
car
La direction de
est donc la direction normale au plan.
Complément : deux plans
perpendiculaires
Repère de programme. Le programme publié au Bulletin
officiel du 2 avril 2026 mentionne explicitement les plans
perpendiculaires ; cette disposition s’applique à la terminale à partir
de la rentrée 2027–2028. Pour deux plans sécants de vecteurs normaux
et
,
on a
Ce
complément peut être laissé de côté si l’on prépare uniquement la
session correspondant au programme précédent.
Exemple entièrement détaillé
Les plans de vecteurs normaux
et
sont perpendiculaires, car
À retenir
Pour une droite et un plan, chercher un vecteur directeur de la
droite et un vecteur normal du plan. Pour construire un plan, partir
d’un point et d’une condition d’orthogonalité avec son vecteur
normal.
Une normale doit tester deux directions du plan
n = (1 ; 2 ; 1) ; n · u = 0 ; n · v = 0 Les deux produits sont nuls et n est non nul. Il est normal au plan ; une droite dirigée par n est perpendiculaire au plan. Repère orthonormé, axes gradués en unités. Vue projetée : longueurs et angles peuvent être déformés.
Fiche 04 / 08
3. Projections et distance
à une droite
Qu’est-ce qu’un projeté
orthogonal ?
Soit
un point et
une droite. Le projeté orthogonal de
sur
est le point
de
tel que
soit orthogonal à un vecteur directeur de
.
Si
,
la droite
est perpendiculaire à
.
Si
,
son projeté est
et la distance est nulle.
Le point
est aussi appelé le pied de la perpendiculaire.
Si
est un vecteur directeur de
,
la condition se traduit par
Pourquoi
la projection donne la plus courte distance ?
Soit
le projeté orthogonal de
sur une droite
.
Pour tout autre point
de
,
si
et
,
le triangle
est rectangle en
.
L’égalité suivante reste vraie dans les cas où deux points se
confondent. Le théorème de Pythagore donne
Comme
,
on a
,
donc
.
La distance
est donc la plus petite distance entre
et un point de la droite. L’égalité n’est possible que lorsque
.
Calculer le projeté sur une
droite
Une droite passant par
et dirigée par le vecteur non nul
s’écrit
Pour projeter
sur cette droite, on écrit
,
puis on impose
:
Comme
,
on a
,
donc
Il suffit ensuite de calculer
,
puis
Exemple entièrement détaillé
On considère la droite
et le point
.
Cherchons son projeté
sur
.
On commence par calculer les deux produits nécessaires :
Ainsi,
Le projeté est
Contrôlons l’orthogonalité :
et
Le
calcul est cohérent. Enfin,
À retenir
Projection sur une droite : le point cherché doit d’abord être sur la
droite, puis le vecteur qui relie le point donné à ce point doit être
orthogonal au vecteur directeur. Le contrôle du produit scalaire est un
bon réflexe.
Le projeté est le point le plus proche sur la droite
t₀ = 1 ; H (3 ; 1 ; 0) ; PH ≈ 4,9 unités PH · u = 0. PN² = 24 = PH² + HN² = 24 + 0. N = H : on atteint la distance minimale. Repère orthonormé, axes gradués en unités. Vue projetée : longueurs et angles peuvent être déformés.
Fiche 05 / 08
4. Projection et distance à un
plan
Le projeté orthogonal sur un
plan
Soit
un point et
un plan. Si
appartient déjà au plan, son projeté est
et sa distance au plan vaut zéro. Le projeté orthogonal de
sur
est l’unique point
du plan tel que
soit normal au plan.
Si
est un vecteur normal à
,
les deux conditions à écrire sont donc
Comme pour une droite, ce projeté donne la plus courte distance. Pour
tout point
du plan, si
et
,
le triangle
est rectangle en
.
L’égalité suivante reste vraie si deux points se confondent :
Ainsi
est la distance du point au plan.
Formule avec une équation
cartésienne
Soit le plan
et le point
.
Le vecteur
est normal au plan. Posons
Le nombre
mesure de quel côté de l’équation le point se trouve, mais ce n’est pas
encore une distance.
Le projeté et la distance sont donnés par
et
D’où vient la formule ? Le segment
est porté par le vecteur normal, donc on pose
.
Pour que
soit dans le plan, on remplace ses coordonnées dans l’équation :
On obtient
,
ce qui donne la formule de
.
La longueur de
est alors
,
d’où la formule de distance.
Exemple entièrement détaillé
On considère le plan
et le point
.
Un vecteur normal est
.
On calcule d’abord
Le carré de la norme du vecteur normal vaut
Le projeté est donc
Vérifions que
est dans le plan :
De plus,
qui est bien colinéaire au vecteur normal. Enfin,
Quelle méthode choisir ?
Question
Réflexe utile
Deux vecteurs sont-ils orthogonaux ?
Calculer leur produit scalaire et vérifier
qu’il vaut zéro.
Une droite est-elle perpendiculaire à un
plan ?
Comparer un vecteur directeur de la droite
à un vecteur normal du plan.
Quel est le projeté sur une droite ?
Écrire le point sur la droite et imposer
un produit scalaire nul.
Quelle est la distance à un plan donné par
une équation ?
Utiliser la formule avec la valeur absolue
et la norme du vecteur normal.
À retenir
Pour une distance à un plan, le numérateur est la valeur absolue de
l’équation calculée au point. Le dénominateur est la norme du vecteur
normal. Ne pas oublier la valeur absolue : une distance ne peut pas être
négative.
Projection sur un plan : signe et valeur absolue
δ = 2 ; H ≈ (1,78 ; 0,56 ; 1,56) ; distance = |δ| / 3 ≈ 0,67 unités H = P − (δ / 9)n. Contrôle : xH + 2yH + 2zH − 6 = 0. PH = −(δ / 9)n est colinéaire à la normale. PN² ≈ 0,44 = 0,44 + 0. La valeur absolue garantit une distance positive de chaque côté du plan. Seule une portion du plan infini est représentée. Repère orthonormé, axes gradués en unités. Vue projetée : longueurs et angles peuvent être déformés.
Fiche 06 / 08
5. Lieux
géométriques et configuration d’un pavé droit
Le plan médiateur de deux
points
Soient deux points distincts
et
.
L’ensemble des points
tels que
est le plan médiateur du segment
.
Ce plan :
passe par le milieu de
;
est perpendiculaire à la droite
;
a donc pour vecteur normal un vecteur directeur de
.
Pour trouver son équation, on peut calculer le milieu puis utiliser
la forme « plan passant par un point et normal à un vecteur ».
Exemple entièrement détaillé
On cherche le plan médiateur de
et
.
Le milieu est
Un vecteur normal au plan médiateur est
Pour un point
,
l’équation est
Le plan médiateur est donc
Le point
donne
dans le membre de gauche et le point
donne
.
Les valeurs sont opposées, ce qui correspond au fait que
et
sont à la même distance du plan, de part et d’autre de celui-ci.
Lire un pavé droit avec
des coordonnées
Considérons un pavé droit dont les sommets sont
Les trois arêtes issues de
ont pour vecteurs
Leurs
produits scalaires sont nuls deux à deux. Les trois directions sont donc
orthogonales, ce qui traduit les trois angles droits du pavé.
La diagonale de l’espace est
.
Sa longueur vaut
Le plan de la base
a pour équation
et pour vecteur normal
.
Le projeté de
sur cette base est
,
et la distance de
à la base est
.
Les coordonnées donnent ici une traduction directe de la figure.
À retenir
Dans un solide, les coordonnées ne remplacent pas la géométrie :
elles la rendent calculable. Une arête, une diagonale ou une normale
correspond à un vecteur ; un angle droit se traduit par un produit
scalaire nul.
Le plan médiateur : être à égale distance
M (2 ; 1 ; 2) ; MA ≈ 3 ; MB ≈ 3 unités 2x + y − 5 = 0. M est sur le plan médiateur : MA = MB exactement, quel que soit z. Le plan passe par I et sa normale est colinéaire à AB. Seule une portion de ce plan infini est dessinée. Repère orthonormé, axes gradués en unités. Vue projetée : longueurs et angles peuvent être déformés.
Pavé droit : diagonale, angle et projection
OG = √(25 + 4) ≈ 5,39 unités ; GB = 2 unités OA · OC = OA · OE = OC · OE = 0. Le projeté de G sur la base est B. cos(AOG) = 4 / √(25 + h²) ≈ 0,74 ; angle ≈ 42,03°. Pour h = 2, on retrouve √29 et une distance de 2 unités. Repère orthonormé, axes gradués en unités. Vue projetée : longueurs et angles peuvent être déformés.
Fiche 07 / 08
6. Exercices gradués
Les exercices 1 à 3 travaillent les calculs fondamentaux. Les
exercices 4 à 6 font passer des coordonnées à une configuration
géométrique. Les exercices 7 à 9 entraînent la rédaction et le choix
d’une méthode. L’exercice 10 est le complément sur les plans
perpendiculaires. Les exercices sont des créations pédagogiques et ne
sont pas présentés comme des sujets officiels.
Exercice 1 — Produit scalaire et orthogonalité
Compétence : Produit scalaire et orthogonalité.
On donne
Calculer
.
Calculer
.
Quels vecteurs sont orthogonaux ? Justifier avec une
phrase.
Un indice avant de chercher plus loin
Écris les trois produits coordonnée par coordonnée. Pour conclure,
seul un produit scalaire égal à zéro permet d’affirmer
l’orthogonalité.
À refaire quelques jours plus tard, sans relire immédiatement le
cours :
Comment calcule-t-on le produit scalaire de
et
?
Quelle égalité permet de reconnaître deux vecteurs orthogonaux
?
Dans la formule de distance à un plan
,
pourquoi y a-t-il une valeur absolue ?
Quelles sont les deux conditions qui caractérisent le projeté
orthogonal d’un point sur une droite ?
Fiche 08 / 08
Bilan : savoir quoi
faire en cas de blocage
Les erreurs fréquentes
Écrire
sans vérifier que les coordonnées appartiennent bien aux deux vecteurs
dans le même ordre.
Confondre produit scalaire, qui donne un nombre, et produit par
un scalaire, qui donne un vecteur.
Oublier les signes, notamment dans
ou dans
.
Dire qu’une droite est perpendiculaire à un plan parce qu’elle
est perpendiculaire à une seule droite du plan.
Utiliser une équation de plan sans identifier son vecteur
normal.
Donner une distance négative ou oublier la valeur absolue dans la
formule d’un point à un plan.
Trouver un point sur la droite ou le plan mais ne pas vérifier la
seconde condition d’orthogonalité.
Auto-évaluation
Cocher une phrase après le travail :
Je sais calculer un produit scalaire sans mélanger les
coordonnées.
Je sais expliquer pourquoi un produit scalaire nul donne une
orthogonalité.
Je sais distinguer un vecteur directeur d’un vecteur
normal.
Je sais calculer une distance entre deux points.
Je sais trouver un projeté sur une droite ou sur un
plan.
Je sais contrôler mon résultat dans l’équation ou le produit
scalaire de départ.
Si une case reste vide, reprendre seulement la section
correspondante, puis refaire l’exercice associé. Une erreur de calcul se
corrige en reprenant les signes et les opérations ; une erreur de
méthode demande de relire la question « que cherche-t-on ? » ; une
incompréhension de la notion demande de revenir à l’idée géométrique et
à l’exemple avant de recommencer.
Sources du cadre de
programme
Le cadre institutionnel consulté est le programme de spécialité de
terminale générale publié au Bulletin officiel spécial no 8
du 25 juillet 2019, ainsi que sa version rénovée publiée au Bulletin
officiel no 14 du 2 avril 2026. Les dates d’application sont
précisées dans ces textes. Les exercices et les exemples de ce fascicule
ont été rédigés pour accompagner l’apprentissage ; ils ne sont pas
attribués à une session du baccalauréat.
Cadre et références
Hypothèse de travail : terminale générale, spécialité mathématiques, année 2026–2027 ; bac 2027 supposé, échéance exacte à confirmer. Le diagnostic permet de choisir les rappels utiles. Exercices créés pour l’apprentissage.
Bulletin officiel consulté le 3 octobre 2026 : programme de 2019 (orthogonalité, projections, distances et plan médiateur) et programme de 2026, applicable en terminale à la rentrée 2027–2028. Les plans perpendiculaires et l’exercice 10 sont conservés comme complément pour une préparation au bac 2027.
Les formules de longueur et de produit scalaire de ce cours supposent un repère orthonormé. Les dessins de l’espace sont des projections ; les mesures représentées peuvent être déformées.