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GÉOMÉTRIE

Colinéarité et déterminant

Niveau 2ⁿᵈᵉ · Cours

🔁 Ce que tu sais déjà

🎯 À la fin de ce chapitre, je sais : multiplier un vecteur par un réel · reconnaître deux vecteurs colinéaires · calculer un déterminant et l'utiliser pour prouver un alignement ou un parallélisme · démontrer une propriété de géométrie en raisonnant avec des vecteurs.

Tu sais calculer les coordonnées d'un vecteur, additionner deux vecteurs et utiliser la relation de Chasles. Ce chapitre ajoute une seule opération — la multiplication par un nombre — et en tire un outil de démonstration très efficace.

✏️ Exemple

AB⃗ = (xB − xA ; yB − yA) : arrivée moins départ.

Chasles : AB⃗ + BC⃗ = AC⃗ ; I milieu de [AB] ⟺ AI⃗ = IB⃗.

📌 À retenir

Deux vecteurs sont égaux quand ils ont les mêmes coordonnées.

Dans un repère, tout raisonnement vectoriel se traduit en calculs sur les coordonnées.

🌱 Multiplier un vecteur par un réel

Si un bateau maintient son cap et double sa vitesse, son déplacement en une heure garde la même direction mais devient deux fois plus long. Multiplier un vecteur par 2, c'est exactement cela.

📖 Définition

Soit k un réel et u⃗(x ; y) un vecteur. Le vecteur k u⃗ a pour coordonnées (kx ; ky).

Sa DIRECTION est celle de u⃗. Son SENS est le même que celui de u⃗ si k > 0, l'opposé si k < 0. Sa LONGUEUR est celle de u⃗ multipliée par |k|.

Deux vecteurs u⃗ et v⃗ sont COLINÉAIRES lorsqu'il existe un réel k tel que v⃗ = k u⃗ (avec u⃗ non nul). Géométriquement, ils ont la même direction.

yx-112345678-1123450uv = 2uw

u⃗ et v⃗ = 2u⃗ sont colinéaires ; w⃗ ne l'est pas.

✏️ Exemple

Si u⃗(3 ; −2), alors 4u⃗ = (12 ; −8) et −u⃗ = (−3 ; 2).

Le vecteur −2u⃗ = (−6 ; 4) est de sens opposé à u⃗ et deux fois plus long.

✏️ Exemple

Contre-exemple : u⃗(2 ; 1) et w⃗(1 ; 3) ne sont pas colinéaires.

Pour passer de 2 à 1 il faudrait multiplier par 0,5, mais alors la seconde coordonnée donnerait 0,5 et non 3. Aucun réel k ne convient pour les DEUX coordonnées à la fois.

✏️ Exemple

Méthode — tester la colinéarité « à vue ».

1) Je cherche le coefficient k qui transforme la première coordonnée : pour u⃗(2 ; 3) et v⃗(6 ; 9), k = 3.

2) Je vérifie qu'il convient aussi pour la seconde : 3 × 3 = 9 ✓.

3) Je conclus : v⃗ = 3u⃗, les vecteurs sont colinéaires.

⚠️
Pièges classiques
  • Le vecteur nul est colinéaire à TOUS les vecteurs : c'est un cas particulier à ne pas oublier.
  • Colinéaire ne signifie pas égal : la longueur et le sens peuvent différer.
  • Le coefficient k doit convenir pour les deux coordonnées SIMULTANÉMENT.
📌 À retenir

k u⃗ = (kx ; ky) : même direction, sens conservé si k > 0, longueur multipliée par |k|.

u⃗ et v⃗ colinéaires ⟺ il existe k tel que v⃗ = k u⃗ ⟺ même direction.

❓ Quiz — Colinéarité

Question 1 — u⃗(3 ; −2). Quelles sont les coordonnées de 4u⃗ ?

Question 2 — Les vecteurs u⃗(2 ; 3) et v⃗(6 ; 9) sont-ils colinéaires ?

Question 3 — Que peut-on dire du vecteur nul ?

🧮 Le déterminant

Chercher « à vue » le coefficient k marche avec des nombres simples, mais devient pénible avec des fractions ou des décimaux — et impossible si une coordonnée est nulle. Le déterminant règle la question par un seul calcul.

📖 Définition

Soient u⃗(x ; y) et v⃗(x' ; y'). Le DÉTERMINANT de u⃗ et v⃗ est le nombre det(u⃗, v⃗) = x y' − y x'.

PROPRIÉTÉ : u⃗ et v⃗ sont colinéaires si et seulement si det(u⃗, v⃗) = 0. On dit qu'on effectue un « produit en croix ».

yx-112345678-1123450ABCABAC

A, B et C sont alignés : AC⃗ = 3 AB⃗, donc det(AB⃗, AC⃗) = 0.

✏️ Exemple

Méthode — démontrer que trois points sont alignés.

1) Je calcule les coordonnées de deux vecteurs partant du même point : pour A(1 ; 1), B(3 ; 2) et C(7 ; 4), AB⃗ = (2 ; 1) et AC⃗ = (6 ; 3).

2) Je calcule le déterminant : 2 × 3 − 1 × 6 = 0.

3) Je conclus : les vecteurs sont colinéaires, donc les points A, B et C sont ALIGNÉS.

✏️ Exemple

Méthode — démontrer que deux droites sont parallèles.

1) Je calcule un vecteur porté par chaque droite, par exemple AB⃗ et CD⃗.

2) Je calcule det(AB⃗, CD⃗).

3) S'il est nul, les droites (AB) et (CD) sont PARALLÈLES ; sinon elles sont sécantes.

✏️ Exemple

Contre-exemple : det(u⃗, v⃗) = 0 ne signifie pas que les points sont confondus.

Avec u⃗(2 ; 1) et v⃗(1 ; 3), le déterminant vaut 2 × 3 − 1 × 1 = 5 ≠ 0 : les vecteurs ne sont pas colinéaires. Mais quand il est nul, cela prouve seulement une même DIRECTION, pas une superposition.

⚠️
Pièges classiques
  • L'ordre des produits compte : det(u⃗, v⃗) = x y' − y x', on multiplie EN CROIX puis on soustrait.
  • Pour prouver un alignement de A, B et C, les deux vecteurs doivent partir du MÊME point.
  • Deux droites parallèles peuvent être confondues : si elles ont un point commun, elles le sont.
📌 À retenir

det(u⃗, v⃗) = x y' − y x' — le produit en croix.

Déterminant nul ⟺ vecteurs colinéaires ⟺ points alignés ou droites parallèles.

❓ Quiz — Déterminant

Question 1 — Quelle est la formule du déterminant de u⃗(x ; y) et v⃗(x' ; y') ?

Question 2 — u⃗(2 ; 1) et v⃗(6 ; 3). Que vaut det(u⃗, v⃗) ?

Question 3 — On trouve det(AB⃗, AC⃗) = 5. Que peut-on conclure ?

🧩 Décomposer un vecteur

Beaucoup d'énoncés de géométrie ne donnent AUCUNE coordonnée : « Soit ABC un triangle… ». On travaille alors avec deux vecteurs de référence, par exemple AB⃗ et AC⃗, et on exprime tout le reste en fonction d'eux.

📖 Définition

Deux vecteurs non colinéaires u⃗ et v⃗ forment une BASE du plan : tout vecteur w⃗ s'écrit alors, de façon unique, w⃗ = a u⃗ + b v⃗.

Pour démontrer un alignement, un parallélisme ou une égalité de vecteurs, on décompose les vecteurs concernés sur cette base, puis on compare les écritures obtenues.

✏️ Exemple

Méthode — démontrer un parallélisme sans coordonnées.

1) Je choisis deux vecteurs de base, ici AB⃗ et AC⃗.

2) J'exprime les vecteurs utiles avec Chasles : si I est le milieu de [AB] et J celui de [AC], alors IJ⃗ = IA⃗ + AJ⃗ = −½ AB⃗ + ½ AC⃗.

3) Je compare : BC⃗ = BA⃗ + AC⃗ = −AB⃗ + AC⃗, donc IJ⃗ = ½ BC⃗. Les vecteurs sont colinéaires, donc (IJ) et (BC) sont parallèles.

✏️ Exemple

Décomposer, c'est aussi savoir simplifier : 3 u⃗ + 2 v⃗ − u⃗ + v⃗ = 2 u⃗ + 3 v⃗.

On regroupe les termes en u⃗ entre eux et ceux en v⃗ entre eux, exactement comme on réduit une expression littérale.

✏️ Exemple

Contre-exemple : on ne peut pas décomposer sur deux vecteurs COLINÉAIRES.

Avec u⃗ et 2u⃗, on ne peut fabriquer que des vecteurs de la même direction : ils ne forment pas une base du plan.

⚠️
Pièges classiques
  • Vérifie que les deux vecteurs choisis sont bien non colinéaires avant de les utiliser comme base.
  • Ne mélange pas les coefficients : a u⃗ + b v⃗ ne se simplifie pas en (a + b)(u⃗ + v⃗).
  • Passe par Chasles plutôt que par un dessin : un dessin illustre, il ne démontre pas.
📌 À retenir

Deux vecteurs non colinéaires forment une base : tout vecteur s'y décompose de façon unique.

Démonstration type : exprimer deux vecteurs sur la base, montrer qu'ils sont colinéaires.

❓ Quiz — Décomposition

Question 1 — Deux vecteurs forment une base du plan lorsqu'ils sont :

Question 2 — Simplifie 3u⃗ + 2v⃗ − u⃗ + v⃗.

Question 3 — On trouve IJ⃗ = ½ BC⃗. Que peut-on en déduire ?

🎯 Problèmes de géométrie repérée

« ABCD est-il un parallélogramme ? », « le triangle est-il isocèle ? » : dans un repère, ces questions se règlent par le calcul. Encore faut-il choisir le bon outil — vecteurs ou distances.

📖 Définition

Pour la NATURE d'un quadrilatère, on utilise les vecteurs (parallélogramme : AB⃗ = DC⃗) puis, si besoin, les distances (losange : côtés égaux) et l'égalité des diagonales.

Pour la NATURE d'un triangle, on compare les distances (isocèle, équilatéral) et on utilise la réciproque du théorème de Pythagore pour un angle droit.

✏️ Exemple

Méthode — montrer qu'un quadrilatère est un parallélogramme.

1) Je calcule les coordonnées de AB⃗ et de DC⃗.

2) Je compare : si elles sont identiques, les vecteurs sont égaux.

3) Je conclus : ABCD est un parallélogramme. Autre méthode possible : les diagonales [AC] et [BD] ont le même milieu.

✏️ Exemple

Méthode — montrer qu'un triangle est rectangle.

1) Je calcule les trois longueurs, ou plutôt leurs CARRÉS.

2) Je repère la plus grande.

3) Je vérifie l'égalité de Pythagore : si le carré du plus grand côté est égal à la somme des deux autres carrés, le triangle est rectangle.

✏️ Exemple

Contre-exemple : montrer que AB = DC ne suffit PAS pour un parallélogramme.

Deux côtés de même longueur peuvent former un trapèze croisé ou un quadrilatère quelconque. C'est l'égalité VECTORIELLE AB⃗ = DC⃗ qui conclut, car elle impose aussi la direction et le sens.

⚠️
Pièges classiques
  • Travaille avec les CARRÉS des longueurs : cela évite les racines et les valeurs approchées.
  • Vérifie que le repère est orthonormé avant d'utiliser une distance ou Pythagore.
  • Rédige la conclusion en toutes lettres : le calcul seul ne constitue pas une démonstration.
📌 À retenir

Parallélogramme : AB⃗ = DC⃗ (ou diagonales de même milieu). Losange : parallélogramme + deux côtés consécutifs égaux.

Triangle rectangle : réciproque de Pythagore sur les carrés des longueurs.

❓ Quiz — Problèmes

Question 1 — Comment démontrer que ABCD est un parallélogramme dans un repère ?

Question 2 — Pour prouver qu'un triangle est rectangle dans un repère, on utilise :

Question 3 — Une autre façon de prouver que ABCD est un parallélogramme :

🏆
Cours terminé !

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📌 Mémo
🌱 Colinéarité
  • k u⃗ = (kx ; ky)
  • k > 0 même sens · k < 0 sens opposé
  • Colinéaires ⟺ v⃗ = k u⃗

0⃗ est colinéaire à tous les vecteurs

🧮 Déterminant
  • det(u⃗, v⃗) = x y' − y x'
  • det = 0 ⟺ colinéaires
  • Alignement : det(AB⃗, AC⃗) = 0

AB⃗(2;1) AC⃗(6;3) → 2×3 − 1×6 = 0

🧩 Décomposition
  • Base : deux vecteurs NON colinéaires
  • w⃗ = a u⃗ + b v⃗, écriture unique
  • Chasles pour tout exprimer

IJ⃗ = ½ BC⃗ → (IJ) ∥ (BC)

🎯 Problèmes
  • Parallélogramme : AB⃗ = DC⃗
  • Diagonales de même milieu
  • Rectangle : réciproque de Pythagore

Travailler avec les CARRÉS des longueurs

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