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

Bac 2022, Polynésie : exercice 4

30 août 2022 · 7 points

On considère le cube ABCDEFGH.

On note I le milieu du segment[EH] et on considère le triangle CFI.

L'espace est muni du repère orthonormé (A  ;  AB→, AD→, AE→)\left(\text{A}\;;\; \overrightarrow{\text{AB}},\, \overrightarrow{\text{AD}},\, \overrightarrow{\text{AE}}\right) et on admet que le point I a pour coordonnées (0  ;  12;  1)\left(0\;;\;\dfrac12;\;1\right) dans ce repère.

Figure de l'énoncé, exercice 4, Polynésie 30 août 2022
    1. Donner sans justifier les coordonnées des points C, F et G.

    2. Démontrer que le vecteur n→(122)\overrightarrow{n}\begin{pmatrix}1\\2\\2\end{pmatrix} est normal au plan (CFI).

    3. Vérifier qu'une équation cartésienne du plan (CFI) est : x+2y+2z−3=0x + 2y + 2z - 3 = 0.

  1. On note dd la droite passant par G et orthogonale au plan (CFI).

    1. Déterminer une représentation paramétrique de la droite dd.

    2. Démontrer que le point K(79  ;  59  ;  59)\left(\dfrac79\;;\;\dfrac59\;;\;\dfrac59\right) est le projeté orthogonal du point G sur le plan (CFI).

    3. Déduire des questions précédentes que la distance du point G au plan (CFI) est égale à 23\dfrac23.

  2. On considère la pyramide GCFI.

    On rappelle que le volume VV d'une pyramide est donné par la formule

    V=13×b×h,V = \frac13 \times b \times h,

    où bb est l'aire d'une base et hh la hauteur associée à cette base.

    1. Démontrer que le volume de la pyramide GCFI est égal à 16\dfrac16, exprimé en unité de volume.

    2. En déduire l'aire du triangle CFI, en unité d'aire.

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Question 1. a)

Dans le repère (A ;AB→,AD→,AE→)\left(\mathrm{A}\,;\overrightarrow{\mathrm{AB}},\overrightarrow{\mathrm{AD}},\overrightarrow{\mathrm{AE}}\right), on a B(1 ;0 ;0)\mathrm{B}(1\,;0\,;0), D(0 ;1 ;0)\mathrm{D}(0\,;1\,;0) et E(0 ;0 ;1)\mathrm{E}(0\,;0\,;1). On en déduit :

C(1 ;1 ;0),F(1 ;0 ;1),G(1 ;1 ;1).\mathrm{C}(1\,;1\,;0),\qquad \mathrm{F}(1\,;0\,;1),\qquad \mathrm{G}(1\,;1\,;1).

Question 1. b)

On calcule deux vecteurs du plan (CFI) coordonnée par coordonnée :

CF→(1−10−11−0)=(0−11),CI→(0−112−11−0)=(−1−121).\overrightarrow{\mathrm{CF}}\begin{pmatrix}1-1\\0-1\\1-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\-1\\1\end{pmatrix},\qquad \overrightarrow{\mathrm{CI}}\begin{pmatrix}0-1\\\frac12-1\\1-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\-\frac12\\1\end{pmatrix}.

Ces vecteurs ne sont pas colinéaires : la première coordonnée de CF→\overrightarrow{\mathrm{CF}} est nulle alors que celle de CI→\overrightarrow{\mathrm{CI}} ne l'est pas, et CF→\overrightarrow{\mathrm{CF}} n'est pas le vecteur nul. Donc C, F, I définissent bien un plan.

On calcule les produits scalaires avec n⃗(122)\vec n\begin{pmatrix}1\\2\\2\end{pmatrix} :

n⃗⋅CF→=1×0+2×(−1)+2×1=0,\vec n\cdot\overrightarrow{\mathrm{CF}}=1\times 0+2\times(-1)+2\times 1=0,
n⃗⋅CI→=1×(−1)+2×(−12)+2×1=−1−1+2=0.\vec n\cdot\overrightarrow{\mathrm{CI}}=1\times(-1)+2\times\left(-\tfrac12\right)+2\times 1=-1-1+2=0.

Le vecteur n⃗\vec n est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (CFI). Donc n⃗\vec n est un vecteur normal au plan (CFI).

Question 1. c)

Le vecteur n⃗(122)\vec n\begin{pmatrix}1\\2\\2\end{pmatrix} étant normal au plan (CFI), ce plan admet une équation de la forme x+2y+2z+d=0x+2y+2z+d=0.

Le point C appartient au plan : 1+2×1+2×0+d=01+2\times 1+2\times 0+d=0, donc d=−3d=-3.

Une équation cartésienne de (CFI) est donc x+2y+2z−3=0x+2y+2z-3=0.

Vérification avec les autres points du plan :

  • F : 1+2×0+2×1−3=01+2\times 0+2\times 1-3=0

  • I : 0+2×12+2×1−3=00+2\times\tfrac12+2\times 1-3=0.

Donc le plan (CFI) a pour équation cartésienne x+2y+2z−3=0x+2y+2z-3=0.

Question 2. a)

La droite dd est orthogonale au plan (CFI), donc le vecteur normal n⃗(122)\vec n\begin{pmatrix}1\\2\\2\end{pmatrix} est un vecteur directeur de dd. La droite passe par G(1 ;1 ;1)\mathrm{G}(1\,;1\,;1).

Une représentation paramétrique de dd est donc

{x=1+ty=1+2tz=1+2tt∈R.\begin{cases}x=1+t\\y=1+2t\\z=1+2t\end{cases}\qquad t\in\mathbb{R}.

Réponse : dd : x=1+tx=1+t, y=1+2ty=1+2t, z=1+2tz=1+2t, t∈Rt\in\mathbb{R}.

Question 2. b)

Le projeté orthogonal de G sur le plan (CFI) est le point d'intersection de la droite dd (perpendiculaire au plan passant par G) et du plan.

Pour le point de dd de paramètre tt, l'équation du plan donne :

(1+t)+2(1+2t)+2(1+2t)−3=0  ⟺  2+9t=0  ⟺  t=−29.(1+t)+2(1+2t)+2(1+2t)-3=0\iff 2+9t=0\iff t=-\dfrac{2}{9}.

Pour t=−29t=-\dfrac29, on obtient :

x=1−29=79,y=1−49=59,z=1−49=59.x=1-\dfrac29=\dfrac79,\qquad y=1-\dfrac49=\dfrac59,\qquad z=1-\dfrac49=\dfrac59.

Donc le point K(79 ;59 ;59)\left(\dfrac79\,;\dfrac59\,;\dfrac59\right) est le point d'intersection de dd et du plan (CFI) : c'est le projeté orthogonal de G sur le plan (CFI).

Question 2. c)

La distance de G au plan (CFI) est la distance GK.

On calcule GK→(79−159−159−1)=(−29−49−49)\overrightarrow{\mathrm{GK}}\begin{pmatrix}\frac79-1\\\frac59-1\\\frac59-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-\frac29\\-\frac49\\-\frac49\end{pmatrix}, donc

GK=481+1681+1681=3681=69=23.\mathrm{GK}=\sqrt{\dfrac{4}{81}+\dfrac{16}{81}+\dfrac{16}{81}}=\sqrt{\dfrac{36}{81}}=\dfrac{6}{9}=\dfrac23.

Donc la distance du point G au plan (CFI) est égale à 23\dfrac23.

Question 3. a)

On choisit pour base le triangle CFG et on cherche la hauteur de la pyramide issue de I.

Le triangle CFG est rectangle en G, avec GC=GF=1\mathrm{GC}=\mathrm{GF}=1 (arêtes du cube de côté 1). Son aire vaut

12×GC×GF=12.\dfrac12\times \mathrm{GC}\times\mathrm{GF}=\dfrac12.

Les points C, F, G ont pour abscisse 11 : ils sont dans le plan (BCGF) d'équation x=1x=1. Le point I a pour abscisse 00, donc la distance de I à ce plan est 11. C'est la hauteur associée à la base CFG.

D'après la formule du volume d'une pyramide :

V=13×12×1=16.V=\dfrac13\times\dfrac12\times 1=\dfrac16.

Donc le volume de la pyramide GCFI est 16\dfrac16 unité de volume.

Question 3. b)

On prend maintenant pour base le triangle CFI. La hauteur associée est la distance de G au plan (CFI), soit 23\dfrac23 d'après la question 2. c).

Soit A\mathcal{A} l'aire du triangle CFI. Le volume étant le même, on a

13×A×23=16  ⟺  29 A=16  ⟺  A=16×92=34.\dfrac13\times\mathcal{A}\times\dfrac23=\dfrac16\iff \dfrac29\,\mathcal{A}=\dfrac16\iff \mathcal{A}=\dfrac16\times\dfrac92=\dfrac34.

Donc l'aire du triangle CFI est 34\dfrac34 unité d'aire.

Réponse : A=34\mathcal{A}=\dfrac34.

Points clés attendus

  • Calculer les coordonnées des vecteurs, justifier leur non-colinéarité, puis montrer l'orthogonalité de n⃗\vec n à deux vecteurs du plan.

  • Déterminer le coefficient dd de l'équation cartésienne avec un point du plan, puis vérifier avec les autres points.

  • Justifier que K est le projeté orthogonal : intersection de la perpendiculaire passant par G et du plan.

  • Calculer le volume de deux manières, en changeant de base, pour en déduire l'aire de CFI.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Polynésie, 30 août 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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