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$SABCD$ est une pyramide de base carrée $ABCD$ et de sommet $S$,
telle que les faces latérales $SAB$, $SBC$, $SCD$ et $SDA$ sont toutes des triangles équilatéraux.
$H$ est le centre du carré $ABCD$ et $I$ est le milieu de $[BC]$. On a de plus $AB=4$.
Calculer, en justifiant, les produits scalaires suivants :
1.
$\overrightarrow{SA}\cdot\overrightarrow{SB}$;
Corrigé
$SAB$ est équilatéral donc $SA=SB=AB=4$ et $\widehat{ASB} = 60^\circ$. Alors :
\[\overrightarrow{SA}\cdot\overrightarrow{SB} = SA\times SB \times \cos\left(\widehat{ASB}\right)
= 4 \times 4 \times \frac 1 2 = 8.\]
2.
$\overrightarrow{AH}\cdot\overrightarrow{DB}$;
Corrigé
Les diagonales du carré $ABCD$ sont perpendiculaires donc $\overrightarrow{AH}\perp\overrightarrow{DB}$ et
\[\overrightarrow{AH}\cdot\overrightarrow{DB} = 0.\]
3.
$\overrightarrow{SH}\cdot\overrightarrow{AC}$;
Corrigé
Le triangle $SAC$ est isocèle en $S$, donc $(SH)$, la médiane issue de $S$ est aussi une médiatrice.
Donc :
\[\overrightarrow{SH}\perp\overrightarrow{AC} \implies
\overrightarrow{SH}\cdot \overrightarrow{AC} = 0.\]
4.
$\overrightarrow{HI}\cdot\overrightarrow{SC}$.
Corrigé
$(SH)$ est la médiane issue de $S$ du triangle $SBD$ et ce triangle est isocèle en $S$,
donc $(SH)$ est perpendiculaire à $(BD)$.
Donc $\overrightarrow{HS}$, orthogonal à la fois à $\overrightarrow{AC}$ et $\overrightarrow{BD}$,
est normal au plan $(ABC)$.
Il est donc en particulier orthogonal au vecteur $\overrightarrow{HI}$.
D'autre part, dans le triangle $CAB$, $I$ est le milieu de $[CB]$ et $H$ celui de $[CA]$.
Alors :
\begin{align*}
\overrightarrow{IH} &= \overrightarrow{IC}+\overrightarrow{CH}
=\frac 1 2 \overrightarrow{BC}+\frac 1 2\overrightarrow{CA}
=\frac 1 2 (\overrightarrow{BC}+\overrightarrow{CA})&
\\
&=\frac 1 2 \overrightarrow{BA}.&
\end{align*}
Donc $IH = 2$ et $\overrightarrow{IH}\perp\overrightarrow{IC}$.
Enfin :
\begin{align*}
\overrightarrow{HI}\cdot\overrightarrow{SC}
&=\overrightarrow{HI}\cdot(\overrightarrow{SI}+\overrightarrow{IC})
=\overrightarrow{HI}\cdot\overrightarrow{SI}
+\underbrace{\overrightarrow{HI}\cdot\overrightarrow{IC}}_{\overrightarrow{HI}\perp\overrightarrow{IC}}&
\\
&=(-\overrightarrow{IH})\cdot(-\overrightarrow{IS}) + 0
=\overrightarrow{IH}\cdot\overrightarrow{IS}&
\\
&=\overrightarrow{IH}\cdot(\overrightarrow{IH}+\overrightarrow{HS})
=\overrightarrow{IH}^2
+ \underbrace{\overrightarrow{IH}\cdot\overrightarrow{HS}}_{\overrightarrow{IH}\perp\overrightarrow{HS}}&
\\
&=IH^2
=2^2
=4.&
\end{align*}
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