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Terminale Spé Maths / Chapitre 11 : Orthogonalité et distances dans l'espace / Annales du bac

Bac 2022, Amérique du Sud : exercice 4

27 septembre 2022 · 7 points

Dans l'espace muni d'un repère orthonormé (O ; ı⃗, ȷ⃗, k⃗)\left(\mathrm{O}\,;\,\vec{\imath},\,\vec{\jmath},\,\vec{k}\right), on considère les points

A(0  ;  8  ;  6),B(6  ;  4  ;  4)et C(2  ;  4  ;  0).\text{A}(0\;;\;8\;;\;6),\quad \text{B}(6\;;\;4\;;\;4 )\quad \text{et C}(2\;;\;4\;;\;0).

Figure de l'énoncé, exercice 4, Amérique du Sud 27 septembre 2022
    1. Justifier que les points A, B et C ne sont pas alignés.

    2. Montrer que le vecteur n→(1  ;  2  ;  −1)\overrightarrow{n}(1\;;\;2\;;\;-1) est un vecteur normal au plan (ABC).

    3. Déterminer une équation cartésienne du plan (ABC).

  1. Soient D et E les points de coordonnées respectives (0   0   6) et (6   6   0).

    1. Déterminer une représentation paramétrique de la droite (DE).

    2. Montrer que le milieu I du segment [BC] appartient à la droite (DE).

  2. On considère le triangle ABC.

    1. Déterminer la nature du triangle ABC.

    2. Calculer l'aire du triangle ABC en unité d'aire.

    3. Calculer AB→⋅AC→\overrightarrow{\text{AB}} \cdot \overrightarrow{\text{AC}}.

    4. En déduire une mesure de l'angle BAC^\widehat{\text{BAC}} arrondie à 0,10,1 degré.

  3. On considère le point H de coordonnées (53  ;  103  ;  −53)\left(\dfrac53\;;\;\dfrac{10}{3}\;;\;- \dfrac53\right).

    Montrer que H est le projeté orthogonal du point O sur le plan (ABC).

    En déduire la distance du point O au plan (ABC).

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Question 1. a) On calcule les coordonnées des vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} avec A(0 ;8 ;6)A(0\,;8\,;6), B(6 ;4 ;4)B(6\,;4\,;4) et C(2 ;4 ;0)C(2\,;4\,;0) :

AB→(6−0 ; 4−8 ; 4−6)=(6 ;−4 ;−2),AC→(2−0 ; 4−8 ; 0−6)=(2 ;−4 ;−6).\begin{aligned} \overrightarrow{AB}&\left(6-0\,;\,4-8\,;\,4-6\right)=\left(6\,;-4\,;-2\right),\\ \overrightarrow{AC}&\left(2-0\,;\,4-8\,;\,0-6\right)=\left(2\,;-4\,;-6\right). \end{aligned}

Si ces vecteurs étaient colinéaires, il existerait un réel λ\lambda tel que AB→=λAC→\overrightarrow{AB}=\lambda\overrightarrow{AC}. La première coordonnée donnerait 6=2λ6=2\lambda, soit λ=3\lambda=3, et la deuxième donnerait −4=−4λ-4=-4\lambda, soit λ=1\lambda=1. Ces deux valeurs sont incompatibles.

Donc AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} ne sont pas colinéaires : les points A, B et C ne sont pas alignés.

Question 1. b) Le vecteur n⃗(1 ;2 ;−1)\vec n(1\,;2\,;-1) est normal au plan (ABC) s'il est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de ce plan. On calcule les produits scalaires :

n⃗⋅AB→=1×6+2×(−4)+(−1)×(−2)=6−8+2=0,n⃗⋅AC→=1×2+2×(−4)+(−1)×(−6)=2−8+6=0.\begin{aligned} \vec n\cdot\overrightarrow{AB}&=1\times 6+2\times(-4)+(-1)\times(-2)=6-8+2=0,\\ \vec n\cdot\overrightarrow{AC}&=1\times 2+2\times(-4)+(-1)\times(-6)=2-8+6=0. \end{aligned}

Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} sont non colinéaires (question 1. a) et dirigent le plan (ABC), et n⃗\vec n est orthogonal à chacun d'eux.

Donc n⃗(1 ;2 ;−1)\vec n(1\,;2\,;-1) est un vecteur normal au plan (ABC).

Question 1. c) Le plan (ABC) admet le vecteur normal n⃗(1 ;2 ;−1)\vec n(1\,;2\,;-1), donc une équation cartésienne de la forme

x+2y−z+d=0,d∈R.x+2y-z+d=0,\qquad d\in\mathbb{R}.

Le point A appartient au plan : 0+2×8−6+d=00+2\times 8-6+d=0, donc 10+d=010+d=0 et d=−10d=-10.

Une équation cartésienne du plan (ABC) est donc

x+2y−z−10=0.x+2y-z-10=0.

Vérification avec les deux autres points : pour B, 6+2×4−4−10=06+2\times 4-4-10=0   pour C, 2+2×4−0−10=02+2\times 4-0-10=0.

Réponse : (ABC) : x+2y−z−10=0x+2y-z-10=0.

Question 2. a) On a D(0 ;0 ;6)D(0\,;0\,;6) et E(6 ;6 ;0)E(6\,;6\,;0), donc

DE→(6 ;6 ;−6).\overrightarrow{DE}\left(6\,;6\,;-6\right).

Le vecteur d⃗(1 ;1 ;−1)=16DE→\vec{d}(1\,;1\,;-1)=\dfrac16\overrightarrow{DE} est aussi un vecteur directeur de la droite (DE). Celle-ci passe par D(0 ;0 ;6)D(0\,;0\,;6). Une représentation paramétrique de (DE) est donc

{x=ty=tz=6−tt∈R.\begin{cases}x=t\\ y=t\\ z=6-t\end{cases}\qquad t\in\mathbb{R}.

On vérifie que E correspond à t=6t=6 : (6 ;6 ;0)(6\,;6\,;0).

Réponse : x=tx=t, y=ty=t, z=6−tz=6-t, t∈Rt\in\mathbb{R}.

Question 2. b) Les coordonnées du milieu I de [BC][BC] sont

I(6+22 ;4+42 ;4+02)=(4 ;4 ;2).I\left(\dfrac{6+2}{2}\,;\dfrac{4+4}{2}\,;\dfrac{4+0}{2}\right)=\left(4\,;4\,;2\right).

Pour t=4t=4, la représentation paramétrique de (DE) donne x=4x=4, y=4y=4 et z=6−4=2z=6-4=2, soit le point (4 ;4 ;2)(4\,;4\,;2).

Donc le milieu I de [BC][BC] appartient à la droite (DE).

Question 3. a) On calcule les carrés des longueurs des côtés :

AB2=62+(−4)2+(−2)2=36+16+4=56,AC2=22+(−4)2+(−6)2=4+16+36=56,BC2=(2−6)2+(4−4)2+(0−4)2=16+0+16=32.\begin{aligned} AB^2&=6^2+(-4)^2+(-2)^2=36+16+4=56,\\ AC^2&=2^2+(-4)^2+(-6)^2=4+16+36=56,\\ BC^2&=(2-6)^2+(4-4)^2+(0-4)^2=16+0+16=32. \end{aligned}

Donc AB=AC=56AB=AC=\sqrt{56} : le triangle ABC est isocèle en A.

Il n'est pas équilatéral, car BC=32≠56BC=\sqrt{32}\neq\sqrt{56}.

Il n'est pas rectangle : d'après la réciproque du théorème de Pythagore, il le serait en A si BC2=AB2+AC2BC^2=AB^2+AC^2, or 32≠11232\neq 112   en B si AC2=AB2+BC2AC^2=AB^2+BC^2, or 56≠8856\neq 88   en C si AB2=AC2+BC2AB^2=AC^2+BC^2, or 56≠8856\neq 88.

Donc le triangle ABC est isocèle en A, et il n'est ni équilatéral ni rectangle.

Question 3. b) Le triangle ABC est isocèle en A et I est le milieu de la base [BC][BC] : la médiane (AI) est aussi la hauteur issue de A. On vérifie en effet que AI→(4 ;−4 ;−4)\overrightarrow{AI}(4\,;-4\,;-4) et BC→(−4 ;0 ;−4)\overrightarrow{BC}(-4\,;0\,;-4) sont orthogonaux : 4×(−4)+(−4)×0+(−4)×(−4)=−16+0+16=04\times(-4)+(-4)\times 0+(-4)\times(-4)=-16+0+16=0.

On a

AI=42+(−4)2+(−4)2=48=43etBC=32=42.AI=\sqrt{4^2+(-4)^2+(-4)^2}=\sqrt{48}=4\sqrt3\qquad\text{et}\qquad BC=\sqrt{32}=4\sqrt2.

L'aire du triangle est donc

A=12×BC×AI=12×42×43=86≈19,6.\mathcal{A}=\dfrac12\times BC\times AI=\dfrac12\times 4\sqrt2\times 4\sqrt3=8\sqrt6\approx 19{,}6.

Donc l'aire du triangle ABC est 868\sqrt6 unités d'aire, soit environ 19,619{,}6.

Réponse : A=86≈19,6\mathcal{A}=8\sqrt6\approx 19{,}6 unités d'aire.

Question 3. c) On a AB→(6 ;−4 ;−2)\overrightarrow{AB}(6\,;-4\,;-2) et AC→(2 ;−4 ;−6)\overrightarrow{AC}(2\,;-4\,;-6), donc

AB→⋅AC→=6×2+(−4)×(−4)+(−2)×(−6)=12+16+12=40.\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=6\times 2+(-4)\times(-4)+(-2)\times(-6)=12+16+12=40.

Réponse : AB→⋅AC→=40\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=40.

Question 3. d) Par définition du produit scalaire, AB→⋅AC→=AB×AC×cos⁡BAC^\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=AB\times AC\times\cos\widehat{BAC}. Donc

cos⁡BAC^=AB→⋅AC→AB×AC=4056×56=4056=57.\cos\widehat{BAC}=\dfrac{\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}}{AB\times AC}=\dfrac{40}{\sqrt{56}\times\sqrt{56}}=\dfrac{40}{56}=\dfrac57.

L'angle BAC^\widehat{BAC} est compris entre 0∘0^\circ et 180∘180^\circ, donc

BAC^=arccos⁡57≈44,4∘.\widehat{BAC}=\arccos\dfrac57\approx 44{,}4^\circ.

Donc l'angle BAC^\widehat{BAC} mesure environ 44,4∘44{,}4^\circ (arrondi à 0,10{,}1 degré).

Réponse : BAC^≈44,4∘\widehat{BAC}\approx 44{,}4^\circ.

Question 4. Pour montrer que H est le projeté orthogonal de O sur le plan (ABC), on vérifie que H appartient au plan et que la droite (OH) est orthogonale au plan.

H appartient à (ABC). On remplace dans l'équation x+2y−z−10=0x+2y-z-10=0 :

53+2×103−(−53)−10=5+20+53−10=10−10=0.\dfrac53+2\times\dfrac{10}{3}-\left(-\dfrac53\right)-10=\dfrac{5+20+5}{3}-10=10-10=0.

(OH) est orthogonale à (ABC). On a

OH→(53 ;103 ;−53)=53(1 ;2 ;−1)=53 n⃗.\overrightarrow{OH}\left(\dfrac53\,;\dfrac{10}{3}\,;-\dfrac53\right)=\dfrac53\left(1\,;2\,;-1\right)=\dfrac53\,\vec n.

Donc OH→\overrightarrow{OH} est colinéaire au vecteur normal n⃗\vec n : la droite (OH) est orthogonale au plan (ABC).

H est un point du plan (ABC) tel que (OH) est orthogonale à ce plan : H est le projeté orthogonal de O sur le plan (ABC).

La distance du point O au plan (ABC) est la distance OH :

OH=(53)2+(103)2+(−53)2=25+100+259=1509=563≈4,08.OH=\sqrt{\left(\dfrac53\right)^2+\left(\dfrac{10}{3}\right)^2+\left(-\dfrac53\right)^2}=\sqrt{\dfrac{25+100+25}{9}}=\sqrt{\dfrac{150}{9}}=\dfrac{5\sqrt6}{3}\approx 4{,}08.

Donc la distance du point O au plan (ABC) est 563≈4,08\dfrac{5\sqrt6}{3}\approx 4{,}08.

Réponse : OH=563≈4,08OH=\dfrac{5\sqrt6}{3}\approx 4{,}08.

Points clés attendus

  • Justifier la non-colinéarité de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} par un calcul de coordonnées, puis l'orthogonalité de n⃗\vec n à ces deux vecteurs pour conclure qu'il est normal au plan.

  • Déterminer dd en utilisant un point du plan, et vérifier l'équation avec les autres points.

  • Écrire la représentation paramétrique à partir d'un point et d'un vecteur directeur, et exhiber la valeur du paramètre pour le point I.

  • Justifier que la médiane issue de A est la hauteur dans un triangle isocèle avant de calculer l'aire.

  • Pour le projeté orthogonal, vérifier les deux conditions : H appartient au plan et OH→\overrightarrow{OH} est colinéaire à n⃗\vec n.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Amérique du Sud, 27 septembre 2022), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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