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

Bac 2022, Polynésie : exercice 4

4 mai 2022 · 7 points

L'espace est rapporté un repère orthonormal où l'on considère :

  • les points A(2  ;  −1  ;  0)(2\;;\;-1\;;\;0) B(1  ;  0  ;  −3)(1\;;\;0\;;\;- 3), C(6  ;  6  ;  1)(6\;;\;6\;;\;1) et E(1  ;  2  ;  4)(1\;;\;2\;;\;4)

  • Le plan P\mathcal{P} d'équation cartésienne 2x−y−z+4=02x - y - z + 4 = 0.

    1. Démontrer que le triangle ABC est rectangle en A.

    2. Calculer le produit scalaire BA→⋅BC→\overrightarrow{\text{BA}} \cdot \overrightarrow{\text{BC}} puis les longueurs BA et BC.

    3. En déduire la mesure en degrés de l'angle ABC^\widehat{\text{ABC}} arrondie au degré.

    1. Démontrer que le plan P\mathcal{P} est parallèle au plan ABC.

    2. En déduire une équation cartésienne du plan ABC.

    3. Déterminer une représentation paramétrique de la droite D\mathcal{D} orthogonale au plan ABC et passant par le point E.

    4. Démontrer que le projeté orthogonal H du point E sur le plan ABC a pour coordonnées (4  ;  12  ;  52)\left(4\;;\;\dfrac{1}{2}\;;\;\dfrac{5}{2}\right).

  1. On rappelle que le volume d'une pyramide est donné par V=13Bh\mathcal{V} = \dfrac13 \mathcal{B}h où B\mathcal{B} désigne l'aire d'une base et hh la hauteur de la pyramide associée à cette base.

    Calculer l'aire du triangle ABC puis démontrer que le volume de la pyramide ABCE est égal à 16,516,5 unités de volume.

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Question 1. a)

On calcule les coordonnées des vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} :

AB→(1−20−(−1)−3−0)=(−11−3),AC→(6−26−(−1)1−0)=(471).\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}1-2\\0-(-1)\\-3-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\1\\-3\end{pmatrix},\qquad\overrightarrow{AC}\begin{pmatrix}6-2\\6-(-1)\\1-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}4\\7\\1\end{pmatrix}.

On calcule leur produit scalaire :

AB→⋅AC→=(−1)×4+1×7+(−3)×1=−4+7−3=0.\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=(-1)\times4+1\times7+(-3)\times1=-4+7-3=0.

Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} sont non nuls et leur produit scalaire est nul : ils sont orthogonaux.

Donc le triangle ABC est rectangle en A.

Question 1. b)

On calcule les coordonnées des vecteurs BA→\overrightarrow{BA} et BC→\overrightarrow{BC} :

BA→(1−13),BC→(6−16−01−(−3))=(564).\overrightarrow{BA}\begin{pmatrix}1\\-1\\3\end{pmatrix},\qquad\overrightarrow{BC}\begin{pmatrix}6-1\\6-0\\1-(-3)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}5\\6\\4\end{pmatrix}.

Produit scalaire :

BA→⋅BC→=1×5+(−1)×6+3×4=5−6+12=11.\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=1\times5+(-1)\times6+3\times4=5-6+12=11.

Le repère est orthonormal, donc les longueurs se calculent avec la formule de la norme :

BA=12+(−1)2+32=11,BC=52+62+42=25+36+16=77.BA=\sqrt{1^2+(-1)^2+3^2}=\sqrt{11},\qquad BC=\sqrt{5^2+6^2+4^2}=\sqrt{25+36+16}=\sqrt{77}.

Réponse : BA→⋅BC→=11\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=11, BA=11BA=\sqrt{11}, BC=77BC=\sqrt{77}.

Question 1. c)

Par définition du produit scalaire, BA→⋅BC→=BA×BC×cos⁡ABC^\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}=BA\times BC\times\cos\widehat{ABC}. Donc

cos⁡ABC^=BA→⋅BC→BA×BC=1111×77.\cos\widehat{ABC}=\dfrac{\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}}{BA\times BC}=\dfrac{11}{\sqrt{11}\times\sqrt{77}}.

Or 11×77=11×77=11×11×7=117\sqrt{11}\times\sqrt{77}=\sqrt{11\times77}=\sqrt{11\times11\times7}=11\sqrt7. Donc

cos⁡ABC^=11117=17.\cos\widehat{ABC}=\dfrac{11}{11\sqrt7}=\dfrac{1}{\sqrt7}.

À la calculatrice, ABC^=arccos⁡(17)≈67,79∘\widehat{ABC}=\arccos\left(\dfrac{1}{\sqrt7}\right)\approx67{,}79^\circ.

Donc la mesure de l'angle ABC^\widehat{ABC}, arrondie au degré, est 68∘68^\circ.

Réponse : cos⁡ABC^=17\cos\widehat{ABC}=\dfrac{1}{\sqrt7} et ABC^≈68∘\widehat{ABC}\approx68^\circ.

Question 2. a)

Le plan P\mathcal{P} a pour équation 2x−y−z+4=02x-y-z+4=0 : le vecteur n⃗(2−1−1)\vec n\begin{pmatrix}2\\-1\\-1\end{pmatrix} est un vecteur normal à P\mathcal{P}.

On calcule les produits scalaires de n⃗\vec n avec AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} :

n⃗⋅AB→=2×(−1)+(−1)×1+(−1)×(−3)=−2−1+3=0,\vec n\cdot\overrightarrow{AB}=2\times(-1)+(-1)\times1+(-1)\times(-3)=-2-1+3=0,
n⃗⋅AC→=2×4+(−1)×7+(−1)×1=8−7−1=0.\vec n\cdot\overrightarrow{AC}=2\times4+(-1)\times7+(-1)\times1=8-7-1=0.

Les vecteurs AB→(−1 ;1 ;−3)\overrightarrow{AB}(-1\,;1\,;-3) et AC→(4 ;7 ;1)\overrightarrow{AC}(4\,;7\,;1) ne sont pas colinéaires (leurs coordonnées ne sont pas proportionnelles : −14≠17\dfrac{-1}{4}\neq\dfrac{1}{7}). Ils dirigent donc le plan (ABC), et n⃗\vec n est orthogonal à ces deux vecteurs directeurs.

Donc n⃗\vec n est un vecteur normal au plan (ABC). Les plans P\mathcal{P} et (ABC) ont le même vecteur normal : ils sont parallèles.

Question 2. b)

Les plans P\mathcal{P} et (ABC) sont parallèles, donc le vecteur n⃗(2 ;−1 ;−1)\vec n(2\,;-1\,;-1) est normal à (ABC). Une équation de (ABC) est de la forme

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

Le point A(2 ;−1 ;0)(2\,;-1\,;0) appartient à (ABC) : 2×2−(−1)−0+d=02\times2-(-1)-0+d=0, soit 5+d=05+d=0, donc d=−5d=-5.

Une équation de (ABC) est donc 2x−y−z−5=02x-y-z-5=0.

Vérification avec les autres points : pour B(1 ;0 ;−3)(1\,;0\,;-3), 2−0+3−5=02-0+3-5=0   pour C(6 ;6 ;1)(6\,;6\,;1), 12−6−1−5=012-6-1-5=0.

Réponse : (ABC) : 2x−y−z−5=02x-y-z-5=0.

Question 2. c)

La droite D\mathcal{D} est orthogonale au plan (ABC), donc le vecteur normal n⃗(2 ;−1 ;−1)\vec n(2\,;-1\,;-1) est un vecteur directeur de D\mathcal{D}. De plus D\mathcal{D} passe par E(1 ;2 ;4)(1\,;2\,;4).

Un point M(x ;y ;z)M(x\,;y\,;z) appartient à D\mathcal{D} si et seulement si EM→=t n⃗\overrightarrow{EM}=t\,\vec n avec t∈Rt\in\mathbb{R}, ce qui donne la représentation paramétrique

D: {x=1+2ty=2−tz=4−t,t∈R.\mathcal{D}:\ \begin{cases}x=1+2t\\y=2-t\\z=4-t\end{cases},\qquad t\in\mathbb{R}.

Question 2. d)

Le projeté orthogonal H de E sur le plan (ABC) est le point d'intersection de la droite D\mathcal{D} (perpendiculaire à (ABC) passant par E) et du plan (ABC).

On remplace xx, yy, zz par leurs expressions en fonction de tt dans l'équation de (ABC) :

2(1+2t)−(2−t)−(4−t)−5=0.2(1+2t)-(2-t)-(4-t)-5=0.

On développe : 2+4t−2+t−4+t−5=6t−92+4t-2+t-4+t-5=6t-9. Donc

6t−9=0  ⟺  t=32.6t-9=0\iff t=\dfrac32.

On reporte t=32t=\dfrac32 dans la représentation paramétrique de D\mathcal{D} :

x=1+2×32=4,y=2−32=12,z=4−32=52.x=1+2\times\dfrac32=4,\qquad y=2-\dfrac32=\dfrac12,\qquad z=4-\dfrac32=\dfrac52.

Donc le projeté orthogonal de E sur le plan (ABC) est H(4 ;12 ;52)\left(4\,;\dfrac12\,;\dfrac52\right).

Question 3.

Aire du triangle ABC. Le triangle ABC est rectangle en A, donc son aire est B=12×AB×AC\mathcal{B}=\dfrac12\times AB\times AC.

On a AB=(−1)2+12+(−3)2=11AB=\sqrt{(-1)^2+1^2+(-3)^2}=\sqrt{11} et AC=42+72+12=66AC=\sqrt{4^2+7^2+1^2}=\sqrt{66}. Donc

B=12×11×66=1211×66=12112×6=1162.\mathcal{B}=\dfrac12\times\sqrt{11}\times\sqrt{66}=\dfrac12\sqrt{11\times66}=\dfrac12\sqrt{11^2\times6}=\dfrac{11\sqrt6}{2}.

Hauteur. H est le projeté orthogonal de E sur le plan (ABC), donc la hauteur de la pyramide ABCE relative à la base ABC est h=EHh=EH.

On a EH→(4−112−252−4)=(3−32−32)\overrightarrow{EH}\begin{pmatrix}4-1\\\frac12-2\\\frac52-4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3\\-\frac32\\-\frac32\end{pmatrix}, donc

EH=32+(−32)2+(−32)2=9+94+94=272=332=362.EH=\sqrt{3^2+\left(-\dfrac32\right)^2+\left(-\dfrac32\right)^2}=\sqrt{9+\dfrac94+\dfrac94}=\sqrt{\dfrac{27}{2}}=\dfrac{3\sqrt3}{\sqrt2}=\dfrac{3\sqrt6}{2}.

Volume. D'après la formule V=13Bh\mathcal{V}=\dfrac13\mathcal{B}h :

V=13×1162×362=11×3×63×4=664=332=16,5.\mathcal{V}=\dfrac13\times\dfrac{11\sqrt6}{2}\times\dfrac{3\sqrt6}{2}=\dfrac{11\times3\times6}{3\times4}=\dfrac{66}{4}=\dfrac{33}{2}=16{,}5.

Donc l'aire du triangle ABC est 1162\dfrac{11\sqrt6}{2} unités d'aire et le volume de la pyramide ABCE est égal à 16,516{,}5 unités de volume.

Réponse : B=1162\mathcal{B}=\dfrac{11\sqrt6}{2} et V=332=16,5\mathcal{V}=\dfrac{33}{2}=16{,}5.

Points clés attendus

  • Triangle rectangle : calculer les coordonnées des vecteurs et le produit scalaire, et conclure par l'orthogonalité de deux vecteurs non nuls.

  • Angle : cos⁡ABC^=BA→⋅BC→BA×BC\cos\widehat{ABC}=\dfrac{\overrightarrow{BA}\cdot\overrightarrow{BC}}{BA\times BC}, puis valeur approchée arrondie au degré.

  • Plans parallèles : un même vecteur normal, avec la non-colinéarité de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} justifiée.

  • Équation de plan : déterminer dd avec les coordonnées de A et vérifier avec B et C.

  • Projeté orthogonal : intersection de la droite perpendiculaire et du plan, en résolvant l'équation en tt.

  • Volume : identifier la hauteur EHEH et citer la formule 13Bh\dfrac13\mathcal{B}h.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Polynésie, 4 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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