Vecteurs colinéaires

Rappel

Deux vecteurs \(\overrightarrow{u}\) et \(\overrightarrow{v}\) non nuls sont dits colinéaires si et seulement si il existe un nombre réel k tel que \(\overrightarrow{u}=\lambda \overrightarrow{v}\) c'est à dire si \(\overrightarrow{u}\) est un "multiple" de \(\overrightarrow{v}\).

Par convention, on dira que le vecteur \(\overrightarrow{0}\) est colinéaire à tout vecteur.

La colinéarité des vecteurs se révèle être un outil très pratique pour démontrer en particulier des situations d'alignement de points. Cela est formalisé dans la propriété suivante :

Fondamental

Trois points A, B et C sont alignés si et seulement si les vecteurs \(\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{AC}\) sont colinéaires.

Deux droites (AB) et (CD) sont parallèles si et seulement si les vecteurs \(\overrightarrow{AB}\) et \(\overrightarrow{CD}\) sont colinéaires.

Remarque

La première affirmation est un cas particulier de la seconde lorsque les deux droites parallèles ont un point en commun.

FondamentalPropriété caractéristique de colinéarité de deux vecteurs

Dans un repère \((O ;\overrightarrow{i};\overrightarrow{j})\), deux vecteurs \(\overrightarrow{u} \left (\begin{array}{c}x\\y\end{array}\right )\) et \(\overrightarrow{v} \left (\begin{array}{c}x'\\y'\end{array}\right )\) sont colinéaires si et seulement si leurs coordonnées forment un tableau de proportionnalité :

\(x\)

\(x'\)

\(y\)

\(y'\)

Donc :

\(\overrightarrow{u}\) et \(\overrightarrow{v}\) sont colinéaires si et seulement \(x\times y'-y\times x'=0\) (en effet, les produits en croix sont égaux).

ComplémentDémonstration

  • On suppose d'abord que les vecteurs \(\overrightarrow{u}\) et \(\overrightarrow{v}\) sont colinéaires.

    • Si \(\overrightarrow{u}=\overrightarrow{0}\), alors \(x=0\), et \(y=0\) donc \(xy'-x'y=0\).

    • idem si \(\overrightarrow{v}=\overrightarrow{0}\).

    • Si \(\overrightarrow{u}\neq \overrightarrow{0}\) et \(\overrightarrow{v}\neq \overrightarrow{0}\), alors il existe un nombre réel \(\lambda\) tel que \(\overrightarrow{u}=\lambda \overrightarrow{v}\).

      \(\lambda \overrightarrow{v}\) a pour coordonnées \((\lambda x' ;\lambda y')\), donc \(x=\lambda x'\) et \(y=\lambda y'\).

      Donc \(xy'-x'y=(\lambda x')\times y'-x'\times (\lambda y')=0\)

  • Réciproquement, supposons que \(xy'-x'y=0\).

    • Si \(x=0\) et \(y=0\), alors \(\overrightarrow{u}=\overrightarrow{0}\) donc \(\overrightarrow{u}\) et \(\overrightarrow{v}\) sont colinéaires.

    • Si \(x \neq 0\), alors, comme \(xy'-x'y=0\), \(y'=\frac{x'y}{x}=\frac{x'}{x}y\). Posons \(k=\frac{x'}{x}\). Alors \(y'=k y\) et \(x'=k x\). On peut donc écrire que :

      \(\overrightarrow{v}=k \overrightarrow{u}\) et en posant \(\lambda=\frac{1}{k}\), on obtient \(\overrightarrow{u}=\lambda \overrightarrow{v}\).

      Donc, \(\overrightarrow{u}\) et \(\overrightarrow{v}\) sont colinéaires.

    • Si \(y\neq 0\), on procède de même.