Terminale Spé Maths / Chapitre 10 : Vecteurs, droites et plans de l'espace / Annales du bac
Bac 2022, Métropole : exercice 4
Dans l'espace rapporté à un repère orthonormé , on considère:
la droite passant par le point A(2 4 0) et dont un vecteur directeur est
la droite dont une représentation paramétrique est : .
Donner les coordonnées d'un vecteur directeur de la droite .
Montrer que les droites et ne sont pas parallèles.
Déterminer une représentation paramétrique de la droite .
On admet dans la suite de cet exercice qu'il existe une unique droite perpendiculaire aux droites et . Cette droite coupe chacune des droites et .
On appellera M le point d'intersection de et , et M le point d'intersection de et .
On se propose de déterminer la distance MM appelée « distance entre les droites et ».
Montrer que le vecteur est un vecteur directeur de la droite .
On note le plan contenant les droites et , c'est-à-dire le plan passant par le point A et de vecteurs directeurs et .
Montrer que le vecteur est un vecteur normal au plan .
En déduire qu'une équation du plan est : .
On rappelle que M est le point d'intersection des droites et .
Justifier que M est également le point d'intersection de et du plan .
En déduire que les coordonnées du point M sont (3 1 1).
Déterminer une représentation paramétrique de la droite .
Justifier que le point M a pour coordonnées (1 2 0).
Calculer la distance MM.
On considère la droite de représentation paramétrique avec .
Montrer que la droite est parallèle au plan .
On note la distance d'un point N de la droite au plan .
Exprimer le volume du tétraèdre ANMM en fonction de .
On rappelle que le volume d'un tétraèdre est donné par : où désigne l'aire d'une base et la hauteur relative à cette base.
Justifier que, si N et N sont deux points quelconques de la droite , les tétraèdres ANMM et ANMM ont le même volume.
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Question 1. a)
La représentation paramétrique de s'écrit
Les coefficients de donnent un vecteur directeur de :
Réponse : .
Question 1. b)
Les droites et sont parallèles si et seulement si leurs vecteurs directeurs et sont colinéaires.
Supposons qu'il existe un réel tel que . La première coordonnée donnerait , ce qui est impossible.
Donc et ne sont pas colinéaires.
Donc les droites et ne sont pas parallèles.
Question 1. c)
La droite passe par et a pour vecteur directeur .
Un point appartient à si et seulement si est colinéaire à , c'est-à-dire s'il existe un réel tel que .
Donc une représentation paramétrique de est
Réponse : .
Question 2.
La droite est perpendiculaire à et à . Donc un vecteur directeur de est orthogonal à et à .
Montrons que vérifie cette condition. Le vecteur est non nul et
Les vecteurs et ne sont pas colinéaires (question 1. b)). L'ensemble des vecteurs orthogonaux à la fois à et à est donc une droite vectorielle, c'est-à-dire que tous ces vecteurs sont colinéaires entre eux.
Or est l'un d'eux et il est non nul. Comme un vecteur directeur de en est un autre, il est colinéaire à .
Donc est un vecteur directeur de .
Question 3. a)
Le plan passe par et admet pour vecteurs directeurs et , qui ne sont pas colinéaires (leurs premières coordonnées sont et , et car ).
On calcule les produits scalaires avec :
Le vecteur est non nul et orthogonal à deux vecteurs directeurs non colinéaires de .
Donc est un vecteur normal au plan .
Question 3. b)
Le plan admet pour vecteur normal . Il admet donc une équation cartésienne de la forme
Le point appartient à , donc
Vérification avec un autre point de : le point vérifie .
Donc une équation du plan est .
Question 3. c)
La droite est contenue dans le plan , puisque contient et . Comme , on a . Par ailleurs, .
Donc est un point commun à et à .
La droite n'est pas parallèle à : en effet
Pour le déterminer, on considère un point de et on écrit qu'il appartient à :
Pour , on obtient le point .
Donc est le point d'intersection de et de , et ses coordonnées sont .
Question 4. a)
La droite passe par et a pour vecteur directeur .
Donc une représentation paramétrique de est
Réponse : .
Question 4. b)
Le point appartient à et à . Or tout point de a pour cote .
Donc le paramètre de sur vérifie , soit .
On obtient alors
Vérification : le point appartient à , pour on trouve .
Donc a pour coordonnées .
Question 4. c)
On calcule les coordonnées du vecteur :
Le repère étant orthonormé,
Donc la distance entre les droites et est .
Réponse : .
Question 5. a)
Un vecteur directeur de est .
On calcule
Le vecteur directeur de est orthogonal à un vecteur normal de : la droite est donc parallèle à (strictement parallèle ou contenue dans ).
Le point de (pour ) vérifie : il n'appartient pas à . Donc n'est pas contenue dans .
Donc la droite est parallèle au plan (strictement).
Question 5. b)
On choisit pour base du tétraèdre le triangle .
Les points et appartiennent à , donc à , et . Le triangle est donc contenu dans .
La hauteur relative à cette base est la distance du sommet au plan , soit .
Le triangle est rectangle en : est perpendiculaire à en , donc . On a d'ailleurs et , d'où .
On calcule et .
L'aire de la base est
D'après la formule avec ,
Donc le volume du tétraèdre est .
Réponse : .
Question 5. c)
Soient et deux points quelconques de .
La droite est parallèle au plan : tous ses points sont à la même distance de . Les distances de et de à sont donc égales à une même valeur .
D'après la question précédente, les volumes de et de sont tous deux égaux à .
Donc les tétraèdres et ont le même volume.
Points clés attendus
Justifier la non-colinéarité de et pour conclure que les droites ne sont pas parallèles.
Pour et : calculer les produits scalaires et préciser que les deux vecteurs de référence sont non colinéaires.
Équation du plan : déterminer avec les coordonnées de .
Pour : justifier qu'il est dans (car ) et dans , puis résoudre l'équation en .
Volume : identifier la base rectangle en , la hauteur , et citer la formule .
Parallélisme de et : produit scalaire nul avec le vecteur normal et point de hors du plan.
Corrigé rédigé par + qu'un prof. Cherche d'abord seul, puis compare avec ta propre rédaction.
Comment t'entraîner
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 (Métropole, 9 septembre 2022 (jour 2)), 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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