Terminale Spé Maths / Chapitre 11 : Orthogonalité et distances dans l'espace / Annales du bac
Bac 2023, Amérique du Sud : exercice 2
Dans un repère orthonormé on considère les points :
A, B, C et (1 1 2).
Démontrer que les points A, B, et C définissent un plan.
Démontrer que le vecteur de coordonnées est normal au plan (ABC).
Justifier qu'une équation cartésienne du plan (ABC) est .
Justifier que le point n'appartient pas au plan (ABC).
Déterminer les coordonnées du point H, projeté orthogonal du point sur le plan (ABC).
On admet que .
On définit la sphère de centre et de rayon comme l'ensemble de tous les points M de l'espace tels que .
Justifier, sans calcul, que tout point N du plan (ABC), distinct de H, n'appartient pas à la sphère .
On dit qu'un plan est tangent à la sphère en un point K lorsque les deux conditions suivantes sont vérifiées :
Soit le plan d'équation cartésienne et le point K de coordonnées K(3 3 0).
Démontrer que le plan est tangent à la sphère au point K.
On admet que les plans (ABC) et sont sécants selon une droite .
Déterminer une équation paramétrique de la droite .
Voir le corrigé
Question 1.
On calcule les coordonnées de deux vecteurs d'origine A :
Supposons que pour un réel .
La première coordonnée donne , donc .
La deuxième coordonnée donnerait alors , ce qui est faux.
Donc les vecteurs et ne sont pas colinéaires.
Donc les points A, B et C ne sont pas alignés : ils définissent un plan.
Question 2. a)
On calcule les produits scalaires de avec et . Le repère est orthonormé, donc le produit scalaire se calcule avec les coordonnées :
Le vecteur est non nul et orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC), d'après la question 1.
Donc est un vecteur normal au plan (ABC).
Question 2. b)
Le vecteur étant normal au plan (ABC), ce plan admet une équation cartésienne de la forme :
Le point A appartient au plan, donc :
Une équation cartésienne de (ABC) est donc .
Vérification avec les deux autres points :
B :
C : .
Donc une équation cartésienne du plan (ABC) est .
Question 3. a)
On remplace les coordonnées de dans le membre de gauche de l'équation du plan :
Donc n'appartient pas au plan (ABC).
Question 3. b)
Le point H est le projeté orthogonal de sur (ABC) : c'est le point d'intersection de (ABC) et de la droite passant par et orthogonale à (ABC).
Cette droite a pour vecteur directeur le vecteur normal et passe par . Une représentation paramétrique est :
Le point H vérifie aussi l'équation du plan, donc :
On remplace dans la représentation paramétrique :
Vérification : , donc H appartient bien au plan (ABC).
Donc H a pour coordonnées .
Réponse : H.
Question 4.
Soit N un point du plan (ABC) distinct de H.
Le point H est le projeté orthogonal de sur (ABC), donc la droite est orthogonale au plan (ABC). Elle est donc orthogonale à la droite (HN), contenue dans ce plan.
Le triangle HN est donc rectangle en H. D'après le théorème de Pythagore :
Comme N est distinct de H, on a , donc , c'est-à-dire .
Donc N n'appartient pas à la sphère , dont les points sont à la distance de .
Question 5.
Il faut vérifier les deux conditions de la définition.
Première condition : K .
Pour K et le plan d'équation :
On calcule les coordonnées de :
Le repère étant orthonormé :
Donc K, et finalement K.
Deuxième condition : .
Le plan a pour vecteur normal (lu sur son équation cartésienne).
On a : les vecteurs et sont colinéaires. La droite est donc dirigée par un vecteur normal à : elle est orthogonale à .
Les deux conditions sont vérifiées.
Donc le plan est tangent à la sphère au point K.
Question 6.
Un point appartient à la droite si et seulement s'il appartient aux deux plans, c'est-à-dire si et seulement si :
En ajoutant membre à membre les deux équations :
En soustrayant la seconde équation à la première :
Le système est donc équivalent à et .
On pose , avec . On obtient et .
Une représentation paramétrique de est donc :
Vérification : le point de paramètre est et on a et . Le vecteur directeur est orthogonal aux deux vecteurs normaux et .
Donc la droite est la droite passant par et dirigée par .
Réponse : : , , , .
Points clés attendus
Prouver la non-colinéarité de et pour justifier que A, B, C définissent un plan.
Un vecteur orthogonal à deux vecteurs non colinéaires d'un plan est normal à ce plan déterminer avec un point, puis vérifier avec les deux autres.
Projeté orthogonal : intersection de la perpendiculaire passant par avec le plan, par résolution en .
Question 4 : triangle rectangle en H et théorème de Pythagore.
Tangence : vérifier les deux conditions de la définition (K dans et dans , colinéaire à un vecteur normal).
Droite d'intersection : résoudre le système de deux équations de plans et paramétrer.
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.
Les autres exercices de ce sujet
Revoir le cours
Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Amérique du Sud, 27 septembre 2023 (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.
Un doute sur un exercice ou sur ta méthode de rédaction ? On en parle ensemble, sans engagement.
Réserver un appel découverte