Terminale Spé Maths / Chapitre 11 : Orthogonalité et distances dans l'espace / Annales du bac
Bac 2022, Groupe I : exercice 4
| Principaux domaines abordés : Géométrie dans l'espace |
L'espace est muni d'un repère orthonormé .
On considère les points A, B, C(1 0 3), D(5 4 3) et E(10 9 8).
Soit R le milieu du segment [AB].
Calculer les coordonnées du point R ainsi que les coordonnées du vecteur .
Soit le plan passant par le point R et dont est un vecteur normal. Démontrer qu'une équation cartésienne du plan est:
Démontrer que le point E appartient au plan et que EA = EB .
On considère le plan d'équation cartésienne .
Justifier que les plans et sont sécants.
On note la droite d'intersection de et .
Démontrer qu'une représentation paramétrique de la droite est :
On considère le plan d'équation cartésienne .
Justifier que la droite est sécante au plan en un point dont on déterminera les coordonnées.
Si S et T sont deux points distincts de l'espace, on rappelle que l'ensemble des points M de l'espace tels que MS = MT est un plan, appelé plan médiateur du segment [ST]. On admet que les plans , et sont les plans médiateurs respectifs des segments [AB], [AC] et [AD].
Justifier que .
En déduire que les points A, B, C et D appartiennent à une même sphère dont on précisera le centre et le rayon.
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Question 1. a) Calcul du point R et du vecteur .
R est le milieu de , donc ses coordonnées sont les moyennes de celles de A et de B :
Les coordonnées du vecteur sont obtenues par différence :
Donc et .
Réponse : et .
Question 1. b) Le plan passe par R et admet pour vecteur normal. Un point appartient à si et seulement si .
On a . Donc
Donc une équation cartésienne de est .
Vérification : pour R, .
Question 1. c) Montrons que .
Les coordonnées de vérifient . Donc E appartient à .
Montrons que . On calcule les carrés des distances, le repère étant orthonormé :
Les distances étant positives, .
Donc E appartient à et .
Question 2. a) Des vecteurs normaux à et à se lisent sur leurs équations cartésiennes : et .
Montrons que ces vecteurs ne sont pas colinéaires. Supposons qu'il existe un réel tel que . La première coordonnée donne , donc . La deuxième coordonnée donnerait alors , ce qui est absurde.
Les vecteurs normaux ne sont pas colinéaires, donc les plans et ne sont pas parallèles.
Donc les plans et sont sécants (leur intersection est une droite).
Question 2. b) Un point appartient à si et seulement si ses coordonnées vérifient le système
On prend comme paramètre et on pose avec . Alors
Réciproquement, tout point de coordonnées vérifie les deux équations : et .
Donc une représentation paramétrique de est
Question 3. Un vecteur directeur de se lit sur la représentation paramétrique : . Un vecteur normal à se lit sur son équation : .
On calcule le produit scalaire :
Le vecteur directeur de n'est pas orthogonal à , donc n'est pas parallèle à . La droite est donc sécante au plan en un unique point .
Déterminons les coordonnées de . Le point correspond à une valeur de telle que le point de vérifie l'équation de :
En remplaçant par dans la représentation paramétrique : , , .
Donc coupe au point .
Vérification : , et .
Réponse : .
Question 4. a) Le point appartient à , intersection de et de , et à . Il appartient donc aux trois plans.
, plan médiateur de : donc .
, plan médiateur de : donc .
, plan médiateur de : donc .
Donc .
Question 4. b) D'après la question précédente, les points A, B, C et D sont à la même distance de . Ils appartiennent donc à la sphère de centre et de rayon .
On calcule ce rayon :
Donc les points A, B, C et D appartiennent à la sphère de centre et de rayon .
Réponse : sphère de centre et de rayon .
Points clés attendus
Justifier l'équation cartésienne de à partir de et vérifier que R la satisfait.
Prouver que deux plans sont sécants par la non-colinéarité de leurs vecteurs normaux.
Résoudre le système pour obtenir la représentation paramétrique de et conclure sur l'intersection avec par un produit scalaire non nul.
Utiliser la propriété du plan médiateur (admise) pour obtenir , puis calculer le rayon.
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.
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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Groupe I, 18 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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