Produit vectoriel
En mathématiques, et plus précisément en géométrie, le produit vectoriel est une opération vectorielle effectuée dans les espaces euclidiens orientés de dimension trois[1],[2]. Le formalisme utilisé actuellement est apparu en 1881 dans un manuel d'analyse vectorielle écrit par Josiah Willard Gibbs pour ses étudiants en physique. Les travaux de Hermann Günther Grassmann et William Rowan Hamilton sont à l'origine du produit vectoriel défini par Gibbs[3],[4].
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Histoire [modifier]
Résumé [modifier]
En 1843, Hamilton inventa les quaternions qui permettent de définir le produit vectoriel. Indépendamment et à la même période (1844) Grassmann définissait dans Die lineale Ausdehnungslehre ein neuer Zweig der Mathematik un « produit géométrique » à partir de considérations géométriques ; mais il ne parvient pas à définir clairement un produit vectoriel. Puis Grassmann lit Hamilton et s'inspire de ses travaux pour publier en 1862 une deuxième version de son traité qui est nettement plus claire[5]. De même, Hamilton a lu les travaux de Grassmann et les a commentés et appréciés[6]. Plus tard Maxwell commença à utiliser la théorie des quaternions pour l'appliquer à la physique. Après Maxwell, Clifford modifia profondément le formalisme de ce qui devenait l'analyse vectorielle. Il s'intéressa aux travaux de Grassmann et Hamilton avec une nette préférence pour le premier[4]. En 1881, Gibbs publia Elements of Vector Analysis Arranged for the Use of Students of Physics s'inspirant des travaux déjà réalisés notamment ceux de Clifford et Maxwell. Si les physiciens se sont empressés d'utiliser le formalisme de Gibbs, celui-ci ne fut accepté en mathématiques que bien plus tard, et après plusieurs modifications.
Anecdote [modifier]
Peter Guthrie Tait, dans la préface de la troisième édition de son traité sur les quaternions, qualifia le nouveau formalisme créé par Gibbs de « monstre hermaphrodite, composé des notations de Hamilton et Grassmann »[7].
Notation [modifier]
Plusieurs notations sont en concurrence pour le produit vectoriel :
- En France, le produit vectoriel de u et de v est noté u∧v, où le symbole ∧ se lit vectoriel (wedge en anglais). Cette notation a été initiée par Cesare Burali-Forti et Roberto Marcolongo en 1908[8]. Son inconvénient est de rentrer en conflit avec la notation du produit extérieur ;
- Dans la littérature anglophone (et au Canada francophone, ainsi qu'en Suisse), le produit vectoriel est noté u×v. Cette notation est due à Josiah Willard Gibbs[7]. Son inconvénient est d'induire une confusion éventuelle avec le produit des réels et le produit cartésien, mais ces produits ne portent pas sur des objets de même nature ;
- Une troisième notation, privilégiée par exemple par Arnold, est l'utilisation des crochets de Lie : [u,v][9].
Dans cet article, nous utiliserons la première convention (avec ou sans flèches sur les vecteurs).
Définition [modifier]
Soit E un espace vectoriel euclidien orienté de dimension 3. Par le choix d'une base orthonormée, E peut être identifié avec l'espace R3, mais cette identification n'est pas obligatoire pour définir le produit vectoriel.
D'un point de vue géométrique, le produit vectoriel de deux vecteurs
et
de E non colinéaires se définit comme l'unique vecteur
tel que :
- le vecteur
est orthogonal aux deux vecteurs donnés ; - la base
est de sens direct ;
,
et le produit vectoriel de deux vecteurs colinéaires est nul par définition. En particulier :
- deux vecteurs sont colinéaires si (et seulement si) leur produit vectoriel est nul ;
- deux vecteurs sont orthogonaux si et seulement si la norme de leur produit vectoriel est égale au produit de leurs normes.
La notion d'orientation peut ici être comprise de manière élémentaire en utilisant la règle de la main droite : le pouce, l'index et le majeur écartés en un trièdre indiquent respectivement le sens de
, de
et de
. Cette définition, utilisée dans l'enseignement secondaire, n'est pas totalement satisfaisante, mais reste une bonne approche.
Définition par le produit mixte [modifier]
Une seconde définition utilise la théorie des déterminants et la notion de produit mixte comme point de départ. Le produit mixte de trois vecteurs
, noté
, est le déterminant de ces trois vecteurs dans une base orthonormale directe quelconque. La formule de changement de base montre que ce déterminant est indépendant du choix de la base ; géométriquement il est égal au volume orienté du parallélépipède appuyé sur les vecteurs
. Le produit vectoriel de deux vecteurs
et
est l'unique vecteur
tel que, pour tout
, on a :
.
Le produit vectoriel s'interprète comme les variations du volume orienté d'un parallélépipède en fonction du troisième côté.
Avec une telle définition, il est possible de définir, dans un espace vectoriel orienté de dimension n + 1, le produit vectoriel de n vecteurs.
La seconde définition implique, comme la première, que le produit vectoriel de u et v est nul si et seulement si ces deux vecteurs sont colinéaires. Supposons donc désormais qu'ils ne le sont pas, et montrons que le vecteur u∧v donné par la seconde définition vérifie les trois conditions de la première.
Pour cela, appliquons l'identité ci-dessus à w = u, v et u∧v respectivement. On obtient (u∧v).u=0, (u∧v).v=0 et [u,v,u∧v]=||u∧v||2>0, donc le vecteur u∧v est orthogonal à u et à v et la base (u,v,u∧v) est directe.
De plus, d'après la troisième égalité obtenue, ||u∧v||2 est égal au produit mixte [u,v,u∧v], soit le volume orienté du parallélépipède appuyé sur u, v et u∧v. Ce volume est le produit de la hauteur ||u∧v|| par l'aire de la base ||u||.||v||.sin(
). Par conséquent, après simplification par ||u∧v|| :
.Calcul en composantes [modifier]
Le choix arbitraire d'une base orthonormée directe donne une identification de E et de
. Notons les coordonnées u=(u1, u2, u3) et v=(v1, v2, v3). Leur produit vectoriel est donné par :

La définition par le produit mixte caractérise u∧v par le fait que pour tout vecteur w=(w1,w2,w3),
Ou encore, en développant le déterminant par rapport à la troisième colonne :
avec
ce qui donne bien 
Cette troisième définition, puisqu'elle est équivalente aux deux précédentes, est indépendante, malgré les apparences, du choix de la base orthonormée directe dans laquelle on calcule les coordonnées.
Propriétés [modifier]
Propriétés algébriques [modifier]
- Le produit vectoriel est un produit distributif, anticommutatif :
- Distributivité par rapport à l'addition :
,
- Compatibilité avec la multiplication par un scalaire :
,
- Antisymétrie :
- Distributivité par rapport à l'addition :
Ces propriétés découlent immédiatement de la définition du produit vectoriel par le produit mixte et des propriétés algébriques du déterminant.
- Il n'est pas associatif – c'est-à-dire qu'en général (u∧v)∧w n'est pas égal à u∧(v∧w) – et plus précisément, il vérifie les égalités du double produit vectoriel :
Remarquons d'abord[∧∧ 1] que chacune des deux égalités se déduit de l'autre par antisymétrie, et qu'elles sont immédiates lorsque les deux vecteurs entre parenthèses, dans le double produit, sont liés. Mentionnons quelques-unes des nombreuses méthodes pour démontrer l'une ou l'autre, de la plus calculatoire à la plus savante.
- On peut[∧∧ 2],[∧∧ 3] développer les deux membres de l'équation en coordonnées dans une base orthonormée directe quelconque, et constater que les deux résultats sont égaux.
- Une méthode standard[∧∧ 1] est de procéder de même, mais dans une base orthonormée directe
correspondant au procédé de Gram-Schmidt (en supposant
libre), ce qui simplifie les calculs : on pose
, puis on choisit pour
, dans le plan engendré par
et
, l'un des deux vecteurs unitaires orthogonaux à
, enfin on pose
.
Dans cette base, les trois vecteurs ont pour coordonnées :
avec
réels.
Ainsi :
d'où l'égalité.
- On peut[∧∧ 4] remarquer d'emblée qu'il existe toujours deux réels
tels que
(en effet, si
et
sont indépendants, le plan qu'ils engendrent est l'orthogonal de leur produit vectoriel, or le double produit appartient à cet orthogonal), et même (en effectuant le produit scalaire des deux membres par
) qu'il existe un réel
tel que
On montre ensuite que
est indépendant de
, et on conclut en calculant sa valeur (égale à 1) pour
base orthonormée directe.
- Au lieu de comparer directement les deux membres de l'égalité, on peut comparer leur produit scalaire avec un vecteur
arbitraire, en utilisant les propriétés du déterminant de Gram[∧∧ 5] :
- D.-J. Mercier, L'épreuve d'exposé au CAPES mathématiques, vol. 4, Publibook, 2008 (ISBN 978-2-74834110-2), p. 301
- Exercice corrigé sur uel.education.fr
- H. Muller, R. Weidenfeld et A. Boisseau, Mathématiques MPSI, Bréal, 2008 (ISBN 978-2-74950033-1), p. 75
- R. Ferréol, MPSI 09/10, Exercices sur les espaces euclidiens, exercice 44
- P. Dupont, Introduction à la géométrie, De Boeck, 2002 (ISBN 978-2-80414072-4), p. 194 donne même, par cette méthode, une généralisation de la formule en dimension quelconque.
- Il vérifie par conséquent l'identité de Jacobi, ce qui en fait un crochet de Lie :
- En partant de l'identité de Lagrange :
,
on peut démontrer facilement l'égalité :
que l'on peut aussi écrire sous la forme :
ce qui équivaut à l'identité trigonométrique :
,
et qui n'est rien d'autre qu'une des façons d'écrire le théorème de Pythagore.
Invariance par isométries [modifier]
Le produit vectoriel est invariant par l'action des isométries vectorielles directes. Plus exactement, pour tous vecteurs u et v de E et pour toute rotation f de E, on a :
.
Cette identité peut être prouvée différemment suivant l'approche adoptée :
Définition géométrique : L'identité est immédiate avec la première définition, car f préserve l'orthogonalité, l'orientation et les longueurs.
Produit mixte : L'isomorphisme linéaire f laisse invariant le produit mixte de trois vecteurs. En effet, le produit mixte de f(u), f(v), f(w) peut être calculé dans l'image par f de la base orthonormée directe dans laquelle le produit mixte de u, v et w est calculé. De fait, l'identité précédente s'obtient immédiatement :
où f(w) parcourt tout l'espace vectoriel quand w le parcourt puisque f est une bijection, d'où l'égalité souhaitée.
Définitions alternatives [modifier]
Comme produit de Lie [modifier]
Toute isométrie directe de R3 est une rotation vectorielle. L'ensemble des isométries directes forme un groupe de Lie classique noté SO(3) (autrement dit, un sous-groupe fermé de GL3(R)). Son algèbre de Lie, notée so(3) est la sous-algèbre de Lie de gl3(R) définie comme l'espace tangent de SO(3) en l'identité. Un calcul direct montre qu'il est l'espace des matrices antisymétriques de taille 3. Cet espace est a fortiori stable par le crochet de Lie.
Toute matrice antisymétrique M de taille 3 s'écrit de manière unique :
.
En identifiant M et le vecteur (a, b, c), on définit un isomorphisme linéaire entre so(3) et R3. Le crochet de Lie se transporte via cet isomorphisme, et R3 hérite d'une structure d'algèbre de Lie. Le crochet [u, v] de deux vecteurs est précisément le produit vectoriel de u et de v.
En effet, si u1=(a1, b1, c1), et u2=(a2, b2, c2), leur crochet se calcule en introduisant les matrices antisymétriques correspondantes M1 et M2 :
Le vecteur correspondant, à savoir [u1,u2], a donc pour coordonnées (b1c2-b2c1, a2c1-a1c2, a1b2-a2b1). Cette approche redéfinit donc le produit vectoriel.
Si on suit cette approche, il est possible de prouver directement l'invariance du produit vectoriel par isométries
.
En tant qu'algèbres de Lie, so(3) a été identifié à R3. L'action (linéaire) de SO3(R) sur R3 s'identifie à l'action par conjugaison sur so(3). SO3(R) opère donc par automorphisme d'algèbres de Lie. Autrement dit, l'identité ci-dessus est vérifiée.
Comme produit de quaternions imaginaires [modifier]
Il est possible de retrouver produit vectoriel et produit scalaire à partir du produit de deux quaternions purs. Pour rappel, le corps (non commutatif) des quaternions H est l'unique extension de R de dimension 4. Sa base canonique est (1, i, j, k) où le sous-espace engendré par i, j, k forme l'espace des quaternions purs, canoniquement identifié avec R3. Ces éléments vérifient :
;
.
Si q1=a1i+b1j+c1k et q2 = a2i+b2j+c2k, le produit q1q2 se calcule immédiatement :
.
La partie réelle est au signe près le produit scalaire de q1 et de q2, la partie imaginaire est un quaternion pur qui correspond au produit vectoriel, après identification avec R3.
Cette coïncidence trouve ses explications dans le paramétrage du groupe SO(3) par les quaternions unitaires.
L'application linéaire envoyant 1 sur 1, i sur -i, j sur -j et k sur -k est appelée la conjugaison. Le conjugué d'un quaternion q est noté
. Un quaternion est un réel si et seulement s'il est égal à son conjugué. L'application
définit un produit scalaire sur l'espace vectoriel H. Un quaternion est dit unitaire lorsqu'il est de norme 1. Dans ce cas, il suit de la définition même du produit scalaire qu'il est inversible et que son inverse est son conjugué. L'ensemble des quaternions unitaires, la sphère unité S3, forme un groupe (de Lie) compact et simplement connexe. Il agit sur l'espace des quaternions imaginaires par conjugaison. Pour tout quaternion unitaire u et pour tout quaternion imaginaire q :
.
Cette action préserve la norme ; autrement dit, c'est une action par isométries. Elle définit donc un morphisme de groupes :
Ce morphisme est en réalité le revêtement universel du groupe SO(3). Il induit donc un isomorphisme entre les algèbres de Lie.
L'algèbre de Lie de S3 est justement l'espace des quaternions imaginaires munis du crochet de Lie obtenu comme la partie imaginaire du produit des quaternions. Cette algèbre de Lie est isomorphe à l'algèbre de Lie R3 (munie du produit vectoriel).
C'est la raison fondamentale pour laquelle la partie imaginaire de deux quaternions imaginaires s'identifie au produit vectoriel.
Il est de nouveau possible de justifier l'invariance par isométrie. Toute isométrie de l'espace des quaternions imaginaires s'écrit comme la conjugaison par un quaternion unitaire. Si q est un quaternion unitaire, et q1, q2 sont des quaternions imaginaires, il suffit de constater :
pour en déduire l'invariance par isométrie du produit vectoriel.
Par le produit tensoriel [modifier]
Soient deux vecteurs à trois composantes
et
. On peut définir le tenseur
qui, en notation tensorielle, s'écrit simplement :
Ce tenseur peut se décomposer en la demi-somme de deux tenseurs, l'un complètement symétrique :
qui a 6 composantes indépendantes, et l'autre complètement anti-symétrique :
qui a 3 composantes indépendantes. On peut alors « transformer » ce tenseur anti-symétrique en un vecteur à trois composantes en utilisant le symbole de Levi-Civita
(ce dernier est un pseudo-tenseur dont la définition fait intervenir la métrique et l'orientation) :
(selon la convention de sommation d'Einstein, on somme sur i et sur j dans la formule ci-dessus). Le vecteur
est le produit vectoriel de
et
.
Exemple pour des vecteurs à 3 composantes (i, j et k variant de 1 à 3):
.
On voit que si l'on échange les indices i et j, le signe change, ce qui illustre l'antisymétrie du produit vectoriel. En outre le résultat est un « pseudovecteur » puisqu'il est renversé si on change l'orientation de l'espace.
Applications [modifier]
Mécanique [modifier]
On définit l'opérateur rotationnel comme suit :
.
En mécanique du solide, c'est une opération très employée notamment dans la relation de Varignon qui lie les deux champs vectoriels d'un torseur. D'autre part, les équations de Maxwell sur l'électromagnétisme s'expriment à travers l'opérateur rotationnel, ainsi que les équations de la mécanique des fluides, notamment celles de Navier-Stokes.
Le moment d'une force est défini comme le produit vectoriel de cette force
par le vecteur
reliant son point d'application
au pivot
considéré :
.
C'est une notion primordiale en mécanique du solide.
Équation de plan dans l'espace [modifier]
Soient A, B et C, trois points non alignés de l'espace, grâce auxquels on peut former le plan (ABC).
M(x,y,z) appartient à (ABC) si et seulement si les coordonnées de M vérifient l'équation de (ABC).
L'équation cartésienne de (ABC) est de la forme ax + by + cz + d = 0, où a, b, c et d sont des réels et
est un vecteur normal à (ABC), c'est-à-dire que son produit scalaire avec le vecteur
ou avec
ou encore
avec le vecteur
est nul, donc si
est un vecteur orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de (ABC).
Les réels a, b et c sont donc les composantes respectives en x, y et z du vecteur
, produit vectoriel de deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC), par exemple
et
.
Géométrie plane [modifier]
Soit ABCD un parallélogramme, c'est-à-dire qu'on a la relation

Comme indiqué plus haut dans la définition, l'aire de ce parallélogramme est égale à la norme du produit vectoriel des deux vecteurs sur lesquels il s'appuie :

Références [modifier]
Ouvrages [modifier]
- Marcel Berger, Géométrie [détail des éditions]
- (en) Florian Cajori, A History of Mathematical Notations [détail des éditions]
- (en) Michael J. Crowe, A History of Vector Analysis (en) : The Evolution of the Idea of a Vectorial System, Dover, 1994, 2e éd. (1re éd. 1985) (ISBN 0-486-67910-1)
Notes et références [modifier]
- Tous les espaces vectoriels euclidiens orientés de dimension 3 sont deux à deux isomorphes ; l'isomorphisme est une isométrie bien définie à composition près par une rotation.
- Il est en fait possible de définir une opération ayant des propriétés analogues dans des espaces de dimension 7 ; voir produit vectoriel en dimension 7.
- Crowe 1994
- Jean-Paul Collette, t. 2 : histoire des mathématiques, Vuibert, 1979 (ISBN 0-7767-0164-9), p. 244
- Jean Dieudonné (dir.), Abrégé d'histoire des mathématiques 1700-1900 [détail des éditions], 1986, page 107
- Crowe 1994, p. 85
- Cajori 1993, p. 134 et 136
- Cajori 1993, p. 138
- Voir section Définition #Comme produit de Lie.

est de
,
.![(u\wedge v)\cdot w=[u,v,w]=\det\begin{pmatrix}
u_1 & v_1 & w_1\\
u_2 & v_2 & w_2\\
u_3 & v_3 & w_3
\end{pmatrix}](http://upload.wikimedia.org/math/0/2/a/02a35b796d1226f333c18257a48823ec.png)


,
,

correspondant au
libre), ce qui simplifie les calculs : on pose
, puis on choisit pour
, dans le plan engendré par
.

tels que

arbitraire, en utilisant les propriétés du ![\begin{align}(x\cdot((u\cdot w)v-(u\cdot v)w))&=(x\cdot v)(u\cdot w)-(x\cdot w)(u\cdot v)\\
&=\operatorname{Gram}(x,u;v,w)\\&=((x\wedge u)\cdot(v\wedge w))\\&=[x,u,v\wedge w]\\&=(x\cdot(u\wedge(v\wedge w))).\end{align}](http://upload.wikimedia.org/math/7/f/c/7fc17ef4434cc8a8a403958bd4b9c991.png)

,

,
.![(f(u)\wedge f(v))\cdot f(w)=[f(u),f(v),f(w)]=[u,v,w]=(u\wedge v)\cdot w\,=f(u\wedge v)\cdot f(w)](http://upload.wikimedia.org/math/d/d/2/dd22bd321e8376d66602a8811a5b17d3.png)
.![[\mathrm M_1, \mathrm M_2]= \mathrm M_1 \mathrm M_2- \mathrm M_2 \mathrm M_1=\begin{pmatrix}
0 & a_2b_1-a_1b_2 & a_2c_1-a_1c_2\\
a_1b_2 -a_2b_1 & 0 & b_2c_1-b_1c_2\\
a_1c_2-a_2c_1 & b_1c_2-b_2c_1 & 0
\end{pmatrix}](http://upload.wikimedia.org/math/7/5/0/750bcff75fdc7b44e60179879e2132e7.png)
;
.
.
.
![\left[qq_1\overline{q}\right].\left[qq_2\overline{q}\right]=q(q_1q_2)\overline{q}](http://upload.wikimedia.org/math/0/2/d/02defb56e8ee81404bea862ef03b3d18.png)

![[u\otimes v]_{ij}= u_i\cdot v_j](http://upload.wikimedia.org/math/d/2/6/d261f6239a5c3ddfd2ba282e6dd92a49.png)
![[u\odot v]_{ij}=u_i\cdot v_j + u_j\cdot v_i](http://upload.wikimedia.org/math/5/a/b/5ab63f5fe1cc8c4a8a4893182d42881e.png)
![[u\wedge v]_{ij}=u_i\cdot v_j - u_j\cdot v_i](http://upload.wikimedia.org/math/4/7/2/4723e4a41e870debba5d01dd5b6ded82.png)

.
.
.