Terminale Spé Maths / Chapitre 11 : Orthogonalité et distances dans l'espace / Annales du bac
Bac 2022, Asie : exercice 3
Principaux domaines abordés: Manipulation des vecteurs, des droites et des plans de l'espace. Orthogonalité et distances dans l'espace. Représentations paramétriques et équations cartésiennes.
Le solide ABCDEFGH est un cube. On se place dans le repère orthonormé de l'espace dans lequel les coordonnées des points B, D et E sont :

On considère les points P(0 0 1), Q(0 2 3) et R(1 0 3).
Placer les points P{}, Q et R sur la figure en ANNEXE qui sera à rendre avec la copie.
Montrer que le triangle PQR est isocèle en R.
Justifier que les points P{}, Q et R définissent un plan.
On s'intéresse à présent à la distance entre le point E et le plan (PQR).
Montrer que le vecteur est normal au plan (PQR).
En déduire une équation cartésienne du plan (PQR).
Déterminer une représentation paramétrique de la droite passant par le point E et orthogonale au plan (PQR).
Montrer que le point L est le projeté orthogonal du point E sur le plan (PQR).
Déterminer la distance entre le point E et le plan (PQR).
En choisissant le triangle EQR comme base, montrer que le volume du tétraèdre EPQR est .
On rappelle que le volume d'un tétraèdre est donné par la formule :
Trouver, à l'aide des deux questions précédentes, l'aire du triangle PQR.
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Question 1. Placement des points sur la figure de l'annexe.
Le point P a ses deux premières coordonnées nulles : il est sur l'arête , au tiers de A vers E (car ).
Le point Q est dans le plan (abscisse nulle) à la hauteur : il est donc sur l'arête , aux deux tiers de E vers H (car ).
Le point R est dans le plan (ordonnée nulle) à la hauteur : il est donc sur l'arête , au tiers de E vers F (car ).
Question 2. Le repère est orthonormé : on peut calculer les distances à l'aide des coordonnées.
On calcule les coordonnées des vecteurs et :
On en déduit
Donc .
Le triangle PQR a deux côtés issus de R de même longueur : il est isocèle en R.
Question 3. On calcule les coordonnées des vecteurs et :
Supposons qu'il existe un réel tel que .
La première coordonnée donne , ce qui est impossible.
Les vecteurs et ne sont donc pas colinéaires (et ).
Donc les points P, Q et R ne sont pas alignés : ils définissent un plan.
Question 4. a) Le vecteur a pour coordonnées . On calcule les produits scalaires dans le repère orthonormé :
Le vecteur est orthogonal à et à , qui sont deux vecteurs non colinéaires du plan (PQR) (question 3).
Un vecteur orthogonal à deux vecteurs directeurs non colinéaires d'un plan est orthogonal à ce plan.
Donc est un vecteur normal au plan (PQR).
Question 4. b) Le vecteur est normal au plan (PQR). Donc ce plan admet une équation cartésienne de la forme
Le point P appartient au plan, donc ses coordonnées vérifient l'équation :
Une équation cartésienne du plan (PQR) est donc
Vérification avec les deux autres points : pour Q, pour R, .
Réponse : .
Question 4. c) La droite est orthogonale au plan (PQR) : le vecteur normal est un vecteur directeur de .
La droite passe par E.
Un point M appartient à si et seulement s'il existe un réel tel que , c'est-à-dire
Réponse : une représentation paramétrique de est , .
Question 4. d) Montrons que L appartient à .
Pour , la représentation paramétrique donne
Ce sont les coordonnées de L : donc L appartient à .
Montrons que L appartient au plan (PQR).
Les coordonnées de L vérifient l'équation de (PQR) : donc L appartient à (PQR).
La droite passe par E et est perpendiculaire à (PQR). Elle coupe le plan en un unique point, car elle n'est pas parallèle au plan (son vecteur directeur est normal au plan). Ce point est le projeté orthogonal de E sur (PQR).
Or L appartient à la fois à et à (PQR).
Donc L est le projeté orthogonal du point E sur le plan (PQR).
Question 4. e) La distance du point E au plan (PQR) est la distance EL, où L est le projeté orthogonal de E sur ce plan.
On a
Donc, le repère étant orthonormé,
La distance entre le point E et le plan (PQR) est .
Réponse : .
Question 5. On choisit le triangle EQR comme base du tétraèdre EPQR.
Les coordonnées des vecteurs sont
On a : le triangle EQR est rectangle en E.
De plus et . Son aire est donc
Les points E, Q et R ont pour cote : le plan (EQR) a pour équation .
La hauteur du tétraèdre issue de P est la distance de P au plan (EQR) :
D'après la formule du volume d'un tétraèdre,
Donc le volume du tétraèdre EPQR est .
Question 6. Le même tétraèdre EPQR peut être vu avec le triangle PQR pour base. La hauteur correspondante est la distance de E au plan (PQR), soit d'après la question 4. e).
Notons l'aire du triangle PQR. On a, par la formule du volume et la question 5 :
Donc
L'aire du triangle PQR est .
Réponse : .
Points clés attendus
Calculer les coordonnées des vecteurs, puis les longueurs dans un repère orthonormé.
Justifier la non-colinéarité de deux vecteurs pour affirmer que trois points définissent un plan.
Un vecteur orthogonal à deux vecteurs non colinéaires d'un plan est normal à ce plan.
Vérifier que le point L est à la fois sur la droite et dans le plan pour conclure qu'il est le projeté orthogonal.
Citer la formule du volume d'un tétraèdre et choisir la base la mieux adaptée (EQR rectangle en E).
Corrigé rédigé par + qu'un prof. Cherche d'abord seul, puis compare avec ta propre rédaction.
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Chronomètre-toi, rédige sur papier comme le jour du bac, puis seulement après regarde le cours. Si tu bloques sur une question, écris « on admet que… » et passe à la suivante.
Les autres exercices de ce sujet
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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Asie, 17 mai 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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