Cours — Seconde

Distance entre deux points
dans un repère orthonormé

Formule · Démonstration · Pièges · Exercices corrigés

I — Coordonnées du milieu d'un segment
Définition du milieu
📘 Définition

Le milieu d'un segment $[AB]$ est l'unique point $I$ du segment tel que $IA = IB$. Autrement dit, $I$ est à égale distance de $A$ et de $B$, et il est situé sur le segment.

La formule des coordonnées du milieu
📗 Propriété — Formule du milieu

Dans un repère, soient $A(x_A\,;\,y_A)$ et $B(x_B\,;\,y_B)$. Les coordonnées du milieu $I$ de $[AB]$ sont :

$$I\left(\frac{x_A + x_B}{2}\,;\,\frac{y_A + y_B}{2}\right)$$

En résumé : l'abscisse du milieu est la moyenne des abscisses, l'ordonnée du milieu est la moyenne des ordonnées.

📌 Remarque — Pas besoin de repère orthonormé

Contrairement à la formule de distance, la formule du milieu fonctionne dans tout repère (orthonormé ou non). Elle repose uniquement sur la notion de moyenne, pas sur le théorème de Pythagore.

📌 Pourquoi ça marche ?

Le milieu est le point qui partage le segment en deux parts égales. Ses coordonnées sont simplement les moyennes des coordonnées des extrémités — exactement comme la moyenne de deux notes !

Exemple numérique : si $A$ est en $x = 1$ et $B$ est en $x = 5$, le milieu est en $x = \frac{1+5}{2} = 3$. C'est bien « à mi-chemin » entre 1 et 5.

Exemple pas à pas
✏️ Exercice — Calculer les coordonnées du milieu

On donne $A(-3\,;\,5)$ et $B(7\,;\,-1)$. Calculer les coordonnées du milieu $I$ de $[AB]$.

Correction détaillée :

Identification des coordonnées :

  • $x_A = -3$, $y_A = 5$
  • $x_B = 7$, $y_B = -1$

Application de la formule :

Abscisse de I $x_I = \dfrac{x_A + x_B}{2} = \dfrac{-3 + 7}{2} = \dfrac{4}{2} = \mathbf{2}$
Ordonnée de I $y_I = \dfrac{y_A + y_B}{2} = \dfrac{5 + (-1)}{2} = \dfrac{4}{2} = \mathbf{2}$
✔ Résultat Le milieu de $[AB]$ est $I(2\,;\,2)$.

💡 Vérification rapide : chaque coordonnée de $I$ est bien "entre" celles de $A$ et $B$. Par exemple, $-3 \leqslant 2 \leqslant 7$ en abscisse, et $-1 \leqslant 2 \leqslant 5$ en ordonnée.

Exercice — Retrouver une extrémité
✏️ Exercice

Le milieu de $[AB]$ est $I(1\,;\,3)$ et $A(-2\,;\,5)$. Déterminer les coordonnées de $B$.

Correction détaillée :

On utilise la formule du milieu « à l'envers ». Si $I$ est le milieu de $[AB]$ :

En abscisse $x_I = \dfrac{x_A + x_B}{2} \;\Longrightarrow\; x_B = 2x_I - x_A = 2 \times 1 - (-2) = 2 + 2 = \mathbf{4}$
En ordonnée $y_I = \dfrac{y_A + y_B}{2} \;\Longrightarrow\; y_B = 2y_I - y_A = 2 \times 3 - 5 = 6 - 5 = \mathbf{1}$
✔ Résultat $B(4\,;\,1)$.

💡 Astuce : la formule « à l'envers » est $x_B = 2x_I - x_A$ (et idem en ordonnée). On la retrouve facilement en isolant $x_B$ dans $x_I = \frac{x_A + x_B}{2}$.

II — Condition essentielle : le repère orthonormé
📘 Rappel — Définition

Un repère du plan est dit orthonormé lorsqu'il vérifie deux conditions simultanées :

  • Orthogonal : les deux axes $(O\vec{\imath};\,O\vec{\jmath})$ sont perpendiculaires entre eux.
  • Normé : les vecteurs unitaires $\vec{\imath}$ et $\vec{\jmath}$ ont la même longueur (la même unité sur les deux axes).
Un repère orthonormé se note $\big(O\,;\,\vec{\imath}\,;\,\vec{\jmath}\big)$ avec $\|\vec{\imath}\| = \|\vec{\jmath}\| = 1$.
⚠️ Pourquoi c'est indispensable ?

La formule de la distance repose sur le théorème de Pythagore, qui ne s'applique qu'à des triangles rectangles. Pour former un vrai angle droit dans le plan, il faut que les axes soient perpendiculaires. Et pour que les longueurs calculées soient réelles (en cm, en m…), il faut que les unités soient identiques sur les deux axes.

Dans un repère quelconque (axes obliques ou unités différentes), la formule ne fonctionne pas — les calculs donneraient de faux résultats.

💡 En pratique

Dans un exercice, vérifiez toujours que le repère est orthonormé avant d'appliquer la formule de distance. Sur une figure, cela se signale par le symbole d'angle droit à l'origine et des graduations égales sur les deux axes.

🔍 Illustration — Repère orthonormé

Un repère orthonormé $(O\,;\,\vec{\imath}\,;\,\vec{\jmath})$ : axes perpendiculaires, unités identiques sur les deux axes.

x y 1 2 3 4 5 1 2 O ||i⃗|| = 1 ||j⃗|| = 1 90° A(2 ; 1) B(5 ; 2) 1 unité sur x = 1 unité sur y ✔
III — La formule de la distance
📗 Propriété — Formule de la distance

Dans un repère orthonormé, soient deux points $A(x_A\,;\,y_A)$ et $B(x_B\,;\,y_B)$. La distance AB est donnée par :

$$AB = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2}$$
Comment lire cette formule ?
🔍 Lecture pas à pas

La formule fait quatre choses, dans l'ordre :

① Écart horizontal On calcule $x_B - x_A$ : la différence des abscisses (déplacement selon $x$).
② Écart vertical On calcule $y_B - y_A$ : la différence des ordonnées (déplacement selon $y$).
③ Élever au carré × 2 On élève chaque écart au carré. Cela supprime les signes négatifs et permet d'additionner deux grandeurs positives.
④ Pythagore + racine On additionne les deux carrés (Pythagore !) puis on prend la racine carrée pour revenir à une longueur.
📌 Remarque — Ordre des points

L'ordre des points n'a aucune importance. En effet :

$(x_B - x_A)^2 = (x_A - x_B)^2$  et  $(y_B - y_A)^2 = (y_A - y_B)^2$

donc $AB = BA$. C'est cohérent : une distance est la même quel que soit le sens dans lequel on la mesure.

IV — Pourquoi cette formule fonctionne ?

La formule se démontre en construisant un triangle rectangle artificiel, dont on connaît deux côtés, et en appliquant le théorème de Pythagore.

📘 Démonstration

Données : deux points $A(x_A\,;\,y_A)$ et $B(x_B\,;\,y_B)$ dans un repère orthonormé.

Étape 1 — Construire le point auxiliaire C.
On introduit le point $C$ de coordonnées $(x_B\,;\,y_A)$. Ce point se trouve sur la même horizontale que $A$ et sur la même verticale que $B$.

x y A B C $(x_A;y_A)$ $(x_B;y_B)$ $(x_B;y_A)$ AB (cherchée) AC = |xB − xA| BC = |yB − yA|

Étape 2 — Calculer AC et BC.

  • $A$ et $C$ ont la même ordonnée $y_A$ : ils sont sur une horizontale. La distance $AC$ est donc l'écart horizontal : $$AC = |x_B - x_A|$$
  • $B$ et $C$ ont la même abscisse $x_B$ : ils sont sur une verticale. La distance $BC$ est donc l'écart vertical : $$BC = |y_B - y_A|$$

Étape 3 — Angle droit en C.
Puisque les axes sont perpendiculaires (repère orthonormé), la droite horizontale $AC$ et la droite verticale $BC$ sont elles aussi perpendiculaires. Le triangle $ABC$ est donc rectangle en C.

Étape 4 — Théorème de Pythagore.

$$AB^2 = AC^2 + BC^2 = (x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2$$

En passant à la racine carrée (positive) :

$$AB = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2}$$
✔ Conclusion La formule de la distance est directement issue du théorème de Pythagore, appliqué à un triangle rectangle construit à partir des deux points. C'est pour cela que le repère doit être orthonormé.
V — Pièges classiques & erreurs à éviter
🚨 Erreurs fréquentes

Voici les trois erreurs les plus courantes dans les calculs de distance. Lisez-les avant de faire vos exercices !

⚠️ Piège n°1 — Erreur de signe avec les négatifs

Quand une coordonnée est négative, la soustraction peut piéger. Exemple :

Si $x_A = -2$ et $x_B = 3$ :
❌ Erreur courante : $x_B - x_A = 3 - 2 = 1$
✔ Correct : $x_B - x_A = 3 - (-2) = 3 + 2 = 5$

Soustraire un nombre négatif revient à additionner sa valeur absolue. Posez toujours les parenthèses autour des coordonnées négatives.

⚠️ Piège n°2 — Une distance est TOUJOURS positive

La distance $AB$ est toujours positive ou nulle (et nulle seulement si $A = B$). Si votre calcul intermédiaire donne $(x_B-x_A)^2 + (y_B-y_A)^2 < 0$, c'est impossible : vous avez fait une erreur de signe ou de parenthèses. Recommencez le calcul.

⚠️ Piège n°3 — Ne pas distribuer la racine carrée

C'est l'erreur algébrique la plus classique :

$\sqrt{a^2 + b^2} \neq a + b$   (sauf cas particuliers exceptionnels)

Exemple numérique qui le prouve : $\sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9+16} = \sqrt{25} = 5$, mais $3 + 4 = 7 \neq 5$. On ne peut pas simplifier la racine d'une somme.

VI — Exemples résolus
Exemple 1 — Calcul de distance
✏️ Exercice 1

Dans un repère orthonormé, on donne $A(-2\,;\,3)$ et $B(4\,;\,-1)$. Calculer la distance $AB$.

Correction détaillée :

Identification des coordonnées :

  • $x_A = -2$, $y_A = 3$
  • $x_B = 4$, $y_B = -1$

Application de la formule :

Écart en x $x_B - x_A = 4 - (-2) = 4 + 2 = \mathbf{6}$
Écart en y $y_B - y_A = -1 - 3 = \mathbf{-4}$
Mise au carré $(x_B-x_A)^2 = 6^2 = 36$  et  $(y_B-y_A)^2 = (-4)^2 = 16$
Somme $36 + 16 = 52$
Racine carrée $AB = \sqrt{52} = \sqrt{4 \times 13} = 2\sqrt{13}$
✔ Résultat $AB = 2\sqrt{13} \approx 7{,}21$ unités.
📌 Rappel — Chapitre Calcul numérique

Pour simplifier $\sqrt{52}$, on cherche le plus grand carré parfait qui divise 52.

$52 = 4 \times 13$ (car $4$ est un carré parfait et $13$ est premier).

On applique alors $\sqrt{a \times b} = \sqrt{a} \times \sqrt{b}$ :

$\sqrt{52} = \sqrt{4 \times 13} = \sqrt{4} \times \sqrt{13} = 2\sqrt{13}$

Autres carrés parfaits utiles : $4, 9, 16, 25, 36, 49, 64, 100\ldots$ — apprenez-les, ils reviennent souvent !

💡 Vérification du signe : on a bien $(-4)^2 = 16 > 0$ — pas de résultat négatif, c'est cohérent.

Exemple 2 — Montrer qu'un triangle est rectangle
✏️ Exercice 2

Dans un repère orthonormé, on donne $P(1\,;\,2)$, $Q(5\,;\,2)$ et $R(5\,;\,5)$. Calculer les trois longueurs $PQ$, $QR$ et $PR$, puis démontrer que le triangle $PQR$ est rectangle.

Correction détaillée :

Étape 1 — Calcul de PQ  ($P(1;2)$ et $Q(5;2)$)

Formule $PQ = \sqrt{(5-1)^2 + (2-2)^2}$
Calcul $= \sqrt{4^2 + 0^2} = \sqrt{16} = 4$

Étape 2 — Calcul de QR  ($Q(5;2)$ et $R(5;5)$)

Formule $QR = \sqrt{(5-5)^2 + (5-2)^2}$
Calcul $= \sqrt{0^2 + 3^2} = \sqrt{9} = 3$

Étape 3 — Calcul de PR  ($P(1;2)$ et $R(5;5)$)

Formule $PR = \sqrt{(5-1)^2 + (5-2)^2}$
Calcul $= \sqrt{4^2 + 3^2} = \sqrt{16 + 9} = \sqrt{25} = 5$

Étape 4 — Réciproque de Pythagore

On identifie le plus grand côté : $PR = 5$ est la plus grande des trois longueurs (5 > 4 > 3). On vérifie si le carré de ce côté est égal à la somme des carrés des deux autres :

Membre gauche $PR^2 = 5^2 = 25$
Membre droit $PQ^2 + QR^2 = 4^2 + 3^2 = 16 + 9 = 25$
Égalité ? $25 = 25$  ✔ Vrai
✔ Conclusion D'après la réciproque du théorème de Pythagore, le triangle $PQR$ est rectangle en Q (l'angle droit est en face du plus grand côté $PR$).

💡 Méthode : toujours identifier d'abord le plus grand côté — c'est lui qui joue le rôle de l'hypoténuse. Tester $PR^2 = PQ^2 + QR^2$ ou $PR^2 = QR^2 + PQ^2$ (même chose).
💡 Pour trouver l'angle droit : il se situe au sommet opposé à l'hypoténuse, c'est-à-dire ici en Q.

Exemple 3 — Déterminer la nature d'un quadrilatère
✏️ Exercice 3

Dans un repère orthonormé, on donne $A(-1\,;\,1)$, $B(1\,;\,4)$, $C(5\,;\,4)$ et $D(3\,;\,1)$. Calculer les longueurs des quatre côtés $AB$, $BC$, $CD$ et $DA$, puis déterminer la nature du quadrilatère $ABCD$.

Correction détaillée :

Étape 1 — Calcul de AB  ($A(-1\,;\,1)$ et $B(1\,;\,4)$)

Formule $AB = \sqrt{(1-(-1))^2 + (4-1)^2}$
Calcul $= \sqrt{2^2 + 3^2} = \sqrt{4 + 9} = \sqrt{13}$

Étape 2 — Calcul de BC  ($B(1\,;\,4)$ et $C(5\,;\,4)$)

Formule $BC = \sqrt{(5-1)^2 + (4-4)^2}$
Calcul $= \sqrt{4^2 + 0^2} = \sqrt{16} = 4$  (segment horizontal : $B$ et $C$ ont la même ordonnée)

Étape 3 — Calcul de CD  ($C(5\,;\,4)$ et $D(3\,;\,1)$)

Formule $CD = \sqrt{(3-5)^2 + (1-4)^2}$
Calcul $= \sqrt{(-2)^2 + (-3)^2} = \sqrt{4 + 9} = \sqrt{13}$

Étape 4 — Calcul de DA  ($D(3\,;\,1)$ et $A(-1\,;\,1)$)

Formule $DA = \sqrt{(-1-3)^2 + (1-1)^2}$
Calcul $= \sqrt{(-4)^2 + 0^2} = \sqrt{16} = 4$  (segment horizontal : $D$ et $A$ ont la même ordonnée)

Étape 5 — Bilan et conclusion

Côtés opposés $AB = CD = \sqrt{13}$ ✔ Égaux
Côtés opposés $BC = DA = 4$ ✔ Égaux
✔ Conclusion $AB = CD$ et $BC = DA$ : les côtés opposés sont égaux deux à deux. D'après la propriété des quadrilatères, $ABCD$ est un parallélogramme.

💡 Aller plus loin : pour préciser davantage la nature du parallélogramme (losange, rectangle, carré), il faudrait vérifier si les diagonales sont égales ou perpendiculaires, ou si des côtés consécutifs sont égaux. Ici $AB \neq BC$ ($\sqrt{13} \neq 4$), donc ce n'est ni un losange ni un carré.
💡 Attention à l'ordre des sommets : dans $ABCD$, les côtés sont $AB$, $BC$, $CD$, $DA$ — ne pas confondre avec les diagonales $AC$ et $BD$.

VII — Entraînement rapide

Tous les repères sont orthonormés. Calculez mentalement ou sur le cahier, puis vérifiez.

A — Calculs de distances
✏️ Exercices
1 $A(0\,;\,0)$ et $B(3\,;\,4)$. Calculer $AB$. . . . . . $AB = \sqrt{3^2+4^2} = \sqrt{9+16} = \sqrt{25} = 5$
2 $C(1\,;\,-3)$ et $D(4\,;\,1)$. Calculer $CD$. . . . . . $CD = \sqrt{(4-1)^2+(1-(-3))^2} = \sqrt{9+16} = 5$
3 $E(-3\,;\,-1)$ et $F(2\,;\,-1)$. Calculer $EF$. . . . . . $EF = \sqrt{(2-(-3))^2+(0)^2} = \sqrt{25} = 5$  (segment horizontal !)
4 $G(-1\,;\,2)$ et $H(3\,;\,-4)$. Calculer $GH$. . . . . . $GH = \sqrt{(3-(-1))^2+(-4-2)^2} = \sqrt{16+36} = \sqrt{52} = 2\sqrt{13}$
5 $I(0\,;\,-2)$ et $J(-3\,;\,5)$. Calculer $IJ$. . . . . . $IJ = \sqrt{(-3)^2+(5-(-2))^2} = \sqrt{9+49} = \sqrt{58}$
💡 Question 3 : quand les deux points ont la même ordonnée, les points sont alignés horizontalement et $EF = |x_F - x_E|$ directement. La formule le confirme car $(y_F - y_E)^2 = 0$.
B — Reconnaître un triangle rectangle
✏️ Exercice

On donne $K(-2\,;\,1)$, $L(2\,;\,-2)$ et $M(5\,;\,2)$. Le triangle $KLM$ est-il rectangle ?

① Calculer $KL^2$ . . . . . $KL^2 = (2-(-2))^2+(-2-1)^2 = 16+9 = 25$
② Calculer $LM^2$ . . . . . $LM^2 = (5-2)^2+(2-(-2))^2 = 9+16 = 25$
③ Calculer $KM^2$ . . . . . $KM^2 = (5-(-2))^2+(2-1)^2 = 49+1 = 50$
④ Conclure : le triangle est-il rectangle ? En quel sommet ? . . . . . $KM^2 = 50 = 25+25 = KL^2+LM^2$ ✔ Oui, rectangle en $L$.
💡 On travaille avec les carrés des distances pour éviter les racines — c'est plus rapide ! On identifie d'abord le plus grand carré ($KM^2 = 50$), puis on vérifie $KM^2 = KL^2 + LM^2$. L'angle droit est bien en $L$ (sommet opposé à $KM$).
C — Triangle isocèle
✏️ Exercice

On donne $R(-1\,;\,1)$, $S(3\,;\,1)$ et $T(1\,;\,4)$. Démontrer que le triangle $RST$ est isocèle en $T$.

① Calculer $TR$ . . . . . $TR = \sqrt{(-1-1)^2 + (1-4)^2} = \sqrt{(-2)^2 + (-3)^2} = \sqrt{4+9} = \sqrt{13}$
② Calculer $TS$ . . . . . $TS = \sqrt{(3-1)^2 + (1-4)^2} = \sqrt{2^2 + (-3)^2} = \sqrt{4+9} = \sqrt{13}$
③ Comparer $TR$ et $TS$. Que peut-on conclure ? . . . . . $TR = TS = \sqrt{13}$ : les deux côtés issus de $T$ sont égaux, donc le triangle est isocèle en $T$. ✔
💡 Méthode : pour montrer qu'un triangle est isocèle en $T$, il suffit de montrer que les deux côtés issus de $T$ sont égaux : $TR = TS$. Ici les deux calculs donnent $\sqrt{13}$, la conclusion est immédiate.
💡 Remarque : on n'a pas besoin de calculer $RS$ pour conclure — mais on pourrait vérifier : $RS = \sqrt{(3-(-1))^2 + (1-1)^2} = \sqrt{16} = 4 \neq \sqrt{13}$, ce qui confirme que le triangle est isocèle mais pas équilatéral.
VIII — Ce que je dois savoir
📐 Condition préalable La formule de distance n'est valide que dans un repère orthonormé (axes perpendiculaires, même unité).
📏 La formule $AB = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2}$
🔄 Ordre des points L'ordre est indifférent : $AB = BA$ car on élève les écarts au carré.
📍 Milieu d'un segment $I\left(\dfrac{x_A+x_B}{2}\,;\,\dfrac{y_A+y_B}{2}\right)$. Fonctionne dans tout repère.
📐 Démonstration On construit $C(x_B\,;\,y_A)$ pour former un triangle rectangle en $C$, puis on applique Pythagore.
✅ Triangle rectangle Calculer les 3 longueurs, identifier la plus grande, vérifier si $c^2 = a^2 + b^2$ (réciproque de Pythagore). L'angle droit est en face de $c$.
🔺 Triangle isocèle en T Calculer les deux côtés issus de $T$ et vérifier qu'ils sont égaux : $TR = TS$.
⬜ Parallélogramme Calculer les 4 côtés et vérifier que les côtés opposés sont égaux deux à deux : $AB = CD$ et $BC = DA$.
√ Simplifier une racine Chercher le plus grand carré parfait diviseur : $\sqrt{52} = \sqrt{4 \times 13} = 2\sqrt{13}$.
🚨 Erreur classique $\sqrt{a^2+b^2} \neq a+b$ et $3-(-2) = 5$ (pas $1$ !). Mettre des parenthèses autour des coordonnées négatives.
⚠️ Erreurs fréquentes — Rappel
  • Oublier les parenthèses autour des coordonnées négatives dans les soustractions.
  • Distribuer la racine sur une somme : $\sqrt{a^2+b^2} \neq a+b$.
  • Oublier d'identifier l'hypoténuse (le plus grand côté) avant d'appliquer la réciproque de Pythagore.
  • Confondre l'angle droit et l'hypoténuse : l'angle droit est au sommet opposé à l'hypoténuse.
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