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$ABCD$ est un un tétraèdre régulier de côté $a$ (toutes ses arêtes mesurent $a$).
$I$, $J$ et $K$ sont les milieux respectifs des arêtes $[AB]$, $[BC]$ et $[AD]$.
Exprimer en fonction de $a$ les produits scalaires suivants :
1.
$\overrightarrow{DA}\cdot\overrightarrow{DB}$;
Corrigé
$DAB$ est un triangle équilatéral donc $\widehat{ADB} = 60°$.
\[\overrightarrow{DA}\cdot\overrightarrow{DB}
= DA\times DB \times \cos 60°
=\frac 1 2 a^2.\]
2.
$\overrightarrow{AK}\cdot\overrightarrow{DI}$;
Corrigé
Dans le triangle équilatéral $DAB$, la médiane $[DI]$ est aussi une hauteur.
Le triangle $ADI$ est donc rectangle en $I$ et
\[\begin{aligned}
AI^2 + DI^2 &= AD^2&
\\ \implies
DI^2 &= AD^2 - AI^2&
\\ \implies
DI^2 &= a^2 - \left(\frac 1 2 a\right)^2&
\\ \implies
DI^2 &= a^2 - \frac 1 4 a^2&
\\ \implies
DI^2&= \frac 3 4 a^2.&
\end{aligned}\]
On en déduit aussi que le projeté orthogonal de $A$ sur $(DI)$ est $I$.
Finalement
\[\begin{aligned}
\overrightarrow{AK}\cdot\overrightarrow{DI}
&= -\frac 1 2\overrightarrow{DA}\cdot\overrightarrow{DI}&
\\
&=-\frac 1 2 \overrightarrow{DI}\cdot\overrightarrow{DI}&
\\
&=-\frac 1 2 DI^2&
\\
&=-\frac 1 2 \times \frac 3 4 a^2&
\\
&=-\frac 3 8 a^2.&
\end{aligned}\]
3.
$\overrightarrow{IK}\cdot\overrightarrow{AC}$;
Corrigé
\[\begin{aligned}
\overrightarrow{IK}\cdot\overrightarrow{AC}
&=(\overrightarrow{IC}+\overrightarrow{CK})\cdot\overrightarrow{AC}&
\\
&=\overrightarrow{IC}\cdot\overrightarrow{AC} + \overrightarrow{CK}\cdot\overrightarrow{AC}&
\\
&=(-\overrightarrow{CI})\cdot(-\overrightarrow{CA}) + \overrightarrow{CK}\cdot(-\overrightarrow{AC})&
\\
&=\overrightarrow{CI}\cdot\overrightarrow{CA} - \overrightarrow{CK}\overrightarrow{CA}&
\end{aligned}\]
$A$ se projette orthogonalement sur $(CI)$ en $I$ et sur $(CK)$ en $K$. Donc :
\[\begin{aligned}
\overrightarrow{IK}\cdot\overrightarrow{AC}
&=\overrightarrow{CI}\cdot\overrightarrow{CA} - \overrightarrow{CK}\overrightarrow{CA}&
\\
&=CI^2 - CK^2&
\\
&=0.&
\end{aligned}\]
(Car $CI = CK$.)
4.
$\overrightarrow{JK}\cdot\overrightarrow{AD}$.
Corrigé
\[\begin{aligned}
\overrightarrow{JK}\cdot\overrightarrow{AD}
&=(\overrightarrow{JC}+\overrightarrow{CK})\cdot\overrightarrow{AD}&
\\
&=\overrightarrow{JC}\cdot\overrightarrow{AD} + \underbrace{\overrightarrow{CK}\cdot\overrightarrow{AD}}_{\overrightarrow{CK}\perp\overrightarrow{AD}}&
\\
&=\overrightarrow{JC}\cdot\overrightarrow{AD} + 0&
\\
&=\overrightarrow{JC}\cdot(\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{BD})&
\\
&=\overrightarrow{JC}\cdot\overrightarrow{AB} + \overrightarrow{JC}\cdot\overrightarrow{BD}&
\\
&=\frac 1 2\overrightarrow{BC}\cdot(-\overrightarrow{BA}) + \frac 1 2 \overrightarrow{BC}\cdot\overrightarrow{BD}&
\\
&=-\frac 1 2 \times \frac 1 2 a^2 + \frac 1 2 \times \frac 1 2 a^2&
\\
&=0.&
\end{aligned}\]
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