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

Bac 2022, Polynésie : exercice 4

5 mai 2022 · 7 points

On considère le cube ABCDEFGH d'arête de longueur 1.

L'espace est muni du repère orthonormé (A  ; AB→,AD→,AE→)\left(\text{A}\;;\, \overrightarrow{\text{AB}}, \overrightarrow{\text{AD}}, \overrightarrow{\text{AE}}\right). Le point I est le milieu du segment [EF], K le centre du carré ADHE et O le milieu du segment [AG].

Figure de l'énoncé, exercice 4, Polynésie 5 mai 2022

Le but de l'exercice est de calculer de deux manières différentes, la distance du point { B} au plan ({ AIG}).

Partie 1. Première méthode

  1. Donner, sans justification, les coordonnées des points A, B, et G.

    On admet que les points I et K ont pour coordonnées I(12  ;  0  ;  1)\left(\dfrac{1}{2}\;;\;0\;;\;1\right) et K(0  ;  12  ;  12)\left(0\;;\;\dfrac{1}{2}\;;\;\dfrac{1}{2}\right).

  2. Démontrer que la droite (BK) est orthogonale au plan (AIG).

  3. Vérifier qu'une équation cartésienne du plan (AIG) est : 2x−y−z=02x - y - z = 0.

  4. Donner une représentation paramétrique de la droite (BK).

  5. En déduire que le projeté orthogonal L du point B sur le plan (AIG) a pour coordonnées L(13  ;  13  ;  13)\left(\dfrac{1}{3}\;;\;\dfrac{1}{3}\;;\;\dfrac{1}{3}\right).

  6. Déterminer la distance du point B au plan (AIG).

Partie 2. Deuxième méthode

On rappelle que le volume VV d'une pyramide est donné par la formule V=13×b×hV = \dfrac{1}{3} \times b \times h, où bb est l'aire d'une base et hh la hauteur associée à cette base.

    1. Justifier que dans le tétraèdre ABIG, [GF] est la hauteur relative à la base AIB.

    2. En déduire le volume du tétraèdre ABIG.

  1. On admet que AI = IG =52= \dfrac{\sqrt{5}}{2} et que AG =3= \sqrt 3.

    Démontrer que l'aire du triangle isocèle AIG est égale à 64\dfrac{\sqrt{6}}{4} unité d'aire.

  2. En déduire la distance du point B au plan (AIG).

Voir le corrigé

Partie 1. Première méthode

Question 1.

Le repère est (A ;AB→,AD→,AE→)\left(\mathrm{A}\,;\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AD},\overrightarrow{AE}\right) : A est l'origine, B est le point tel que AB→\overrightarrow{AB} est le premier vecteur de base, et ainsi de suite. Le point G est le sommet opposé à A dans le cube d'arête 11 : AG→=AB→+AD→+AE→\overrightarrow{AG}=\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AD}+\overrightarrow{AE}.

Donc A(0 ;0 ;0)(0\,;0\,;0), B(1 ;0 ;0)(1\,;0\,;0) et G(1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1).

Question 2.

On calcule les coordonnées des vecteurs :

BK→(0−112−012−0)=(−11212),AI→(1201),AG→(111).\overrightarrow{BK}\begin{pmatrix}0-1\\\frac12-0\\\frac12-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\\frac12\\\frac12\end{pmatrix},\qquad\overrightarrow{AI}\begin{pmatrix}\frac12\\0\\1\end{pmatrix},\qquad\overrightarrow{AG}\begin{pmatrix}1\\1\\1\end{pmatrix}.

On calcule les produits scalaires :

BK→⋅AI→=(−1)×12+12×0+12×1=−12+0+12=0,\overrightarrow{BK}\cdot\overrightarrow{AI}=(-1)\times\dfrac12+\dfrac12\times0+\dfrac12\times1=-\dfrac12+0+\dfrac12=0,
BK→⋅AG→=(−1)×1+12×1+12×1=−1+12+12=0.\overrightarrow{BK}\cdot\overrightarrow{AG}=(-1)\times1+\dfrac12\times1+\dfrac12\times1=-1+\dfrac12+\dfrac12=0.

Les vecteurs AI→\overrightarrow{AI} et AG→\overrightarrow{AG} ne sont pas colinéaires (leurs coordonnées ne sont pas proportionnelles : la deuxième coordonnée de AI→\overrightarrow{AI} est nulle et celle de AG→\overrightarrow{AG} ne l'est pas). Ils dirigent donc le plan (AIG).

Le vecteur BK→\overrightarrow{BK} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (AIG) : il est orthogonal à tout vecteur de ce plan.

Donc la droite (BK) est orthogonale au plan (AIG).

Question 3.

D'après la question 2, BK→\overrightarrow{BK} est un vecteur normal au plan (AIG). Le vecteur n⃗(2−1−1)\vec n\begin{pmatrix}2\\-1\\-1\end{pmatrix} vérifie BK→=−12n⃗\overrightarrow{BK}=-\dfrac12\vec n : il est colinéaire à BK→\overrightarrow{BK}, donc normal lui aussi.

Le plan (AIG) admet donc une équation de la forme 2x−y−z+d=02x-y-z+d=0.

Le point A(0 ;0 ;0)(0\,;0\,;0) appartient au plan : d=0d=0.

Vérification avec les autres points : pour I(12 ;0 ;1)\left(\dfrac12\,;0\,;1\right), 2×12−0−1=02\times\dfrac12-0-1=0   pour G(1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1), 2−1−1=02-1-1=0.

Donc une équation cartésienne du plan (AIG) est 2x−y−z=02x-y-z=0.

Question 4.

La droite (BK) passe par B(1 ;0 ;0)(1\,;0\,;0) et a pour vecteur directeur BK→(−1 ;12 ;12)\overrightarrow{BK}\left(-1\,;\dfrac12\,;\dfrac12\right). Une représentation paramétrique de (BK) est donc :

{x=1−ty=t2z=t2,t∈R.\begin{cases}x=1-t\\y=\dfrac t2\\z=\dfrac t2\end{cases},\qquad t\in\mathbb{R}.

Question 5.

La droite (BK) est orthogonale au plan (AIG) et passe par B. Le projeté orthogonal L de B sur (AIG) est donc le point d'intersection de la droite (BK) et du plan (AIG).

Les coordonnées de L vérifient à la fois la représentation paramétrique de (BK) et l'équation 2x−y−z=02x-y-z=0 :

2(1−t)−t2−t2=0  ⟺  2−2t−t=0  ⟺  2−3t=0  ⟺  t=23.2(1-t)-\dfrac t2-\dfrac t2=0\iff2-2t-t=0\iff2-3t=0\iff t=\dfrac23.

On reporte t=23t=\dfrac23 dans la représentation paramétrique :

x=1−23=13,y=12×23=13,z=12×23=13.x=1-\dfrac23=\dfrac13,\qquad y=\dfrac12\times\dfrac23=\dfrac13,\qquad z=\dfrac12\times\dfrac23=\dfrac13.

Donc le projeté orthogonal de B sur le plan (AIG) est L(13 ;13 ;13)\left(\dfrac13\,;\dfrac13\,;\dfrac13\right).

Question 6.

La distance du point B au plan (AIG) est la distance BL, où L est le projeté orthogonal de B sur le plan.

On a BL→(13−11313)=(−231313)\overrightarrow{BL}\begin{pmatrix}\frac13-1\\\frac13\\\frac13\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-\frac23\\\frac13\\\frac13\end{pmatrix}. Le repère est orthonormé, donc

BL=(−23)2+(13)2+(13)2=49+19+19=69=63.BL=\sqrt{\left(-\dfrac23\right)^2+\left(\dfrac13\right)^2+\left(\dfrac13\right)^2}=\sqrt{\dfrac49+\dfrac19+\dfrac19}=\sqrt{\dfrac69}=\dfrac{\sqrt6}{3}.

Donc la distance du point B au plan (AIG) est 63\dfrac{\sqrt6}{3}.

Réponse : d(B,(AIG))=63≈0,816d(\mathrm{B},(\mathrm{AIG}))=\dfrac{\sqrt6}{3}\approx0{,}816.

Partie 2. Deuxième méthode

Question 1. a)

Le tétraèdre ABIG a pour base le triangle AIB, contenu dans le plan (ABF) (face ABFE du cube, car I appartient à [EF][EF]).

Les vecteurs AB→(1 ;0 ;0)\overrightarrow{AB}(1\,;0\,;0) et AI→(12 ;0 ;1)\overrightarrow{AI}\left(\dfrac12\,;0\,;1\right) ne sont pas colinéaires. Avec F(1 ;0 ;1)(1\,;0\,;1), on a GF→(0−10)\overrightarrow{GF}\begin{pmatrix}0\\-1\\0\end{pmatrix} et

GF→⋅AB→=0,GF→⋅AI→=0.\overrightarrow{GF}\cdot\overrightarrow{AB}=0,\qquad\overrightarrow{GF}\cdot\overrightarrow{AI}=0.

Donc la droite (GF) est orthogonale à deux vecteurs non colinéaires du plan (ABI) : elle est orthogonale à ce plan. Elle passe par G et coupe le plan en F, qui est le projeté orthogonal de G sur (ABI).

Donc [GF][GF] est la hauteur du tétraèdre ABIG relative à la base AIB.

Question 1. b)

Aire de la base AIB. Le triangle AIB a pour base AB=1AB=1. Le point I est sur [EF][EF], parallèle à [AB][AB] à la distance AE=1AE=1, donc la hauteur issue de I est 11. Son aire est

12×AB×1=12.\dfrac12\times AB\times1=\dfrac12.

Hauteur. GF=1GF=1 (arête du cube).

Volume. D'après la formule V=13×b×hV=\dfrac13\times b\times h :

VABIG=13×12×1=16.V_{ABIG}=\dfrac13\times\dfrac12\times1=\dfrac16.

Donc le volume du tétraèdre ABIG est 16\dfrac16 unité de volume.

Réponse : VABIG=16V_{ABIG}=\dfrac16.

Question 2.

On a AI=IG=52AI=IG=\dfrac{\sqrt5}{2} (admis) : le triangle AIG est isocèle en I.

Soit M le milieu de [AG][AG]. Dans un triangle isocèle, la médiane issue du sommet principal est aussi la hauteur : (IM) est perpendiculaire à (AG).

On a AM=AG2=32AM=\dfrac{AG}{2}=\dfrac{\sqrt3}{2}. Dans le triangle AMI rectangle en M, d'après le théorème de Pythagore :

IM2=AI2−AM2=54−34=12,doncIM=12=22.IM^2=AI^2-AM^2=\dfrac54-\dfrac34=\dfrac12,\qquad\text{donc}\qquad IM=\dfrac{1}{\sqrt2}=\dfrac{\sqrt2}{2}.

L'aire du triangle AIG est :

12×AG×IM=12×3×22=64.\dfrac12\times AG\times IM=\dfrac12\times\sqrt3\times\dfrac{\sqrt2}{2}=\dfrac{\sqrt6}{4}.

Donc l'aire du triangle isocèle AIG est 64\dfrac{\sqrt6}{4} unité d'aire.

Question 3.

Le volume du tétraèdre ABIG peut aussi se calculer avec la base AIG : la hauteur associée est la distance dd du point B au plan (AIG). D'après la formule V=13×b×hV=\dfrac13\times b\times h :

VABIG=13×64×d.V_{ABIG}=\dfrac13\times\dfrac{\sqrt6}{4}\times d.

D'après la question 1. b), VABIG=16V_{ABIG}=\dfrac16. Donc

612 d=16  ⟺  d=1266=26=266=63.\dfrac{\sqrt6}{12}\,d=\dfrac16\iff d=\dfrac{12}{6\sqrt6}=\dfrac{2}{\sqrt6}=\dfrac{2\sqrt6}{6}=\dfrac{\sqrt6}{3}.

Donc la distance du point B au plan (AIG) est 63\dfrac{\sqrt6}{3}, ce qui est cohérent avec la première méthode.

Réponse : d=63d=\dfrac{\sqrt6}{3}.

Points clés attendus

  • Orthogonalité d'une droite et d'un plan : un vecteur orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan, avec la non-colinéarité justifiée.

  • Équation du plan : vecteur normal, détermination de dd avec A, vérification avec I et G.

  • Projeté orthogonal : intersection de la droite perpendiculaire et du plan, système résolu en tt, puis distance BLBL.

  • Deuxième méthode : justifier que [GF][GF] est une hauteur (orthogonalité au plan de la base) avant d'appliquer V=13×b×hV=\dfrac13\times b\times h.

  • Aire du triangle isocèle : médiane et hauteur confondues, théorème de Pythagore.

  • Relier les deux méthodes : le même volume calculé avec deux bases différentes donne la distance.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2022 (Polynésie, 5 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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