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

Bac 2023, Asie : exercice 2

23 mars 2023 · jour 1 · 5 points

On considère le cube ABCDEFGH qui est représenté en ANNEXE.

Dans le repère orthonormé (A  ;  AB→  ;  AD→  ;  AE→)\left(\text{A}\;;\;\overrightarrow{\text{AB}}\;;\;\overrightarrow{\text{AD}}\;;\;\overrightarrow{\text{AE}}\right), on considère les points M, N et P de coordonnées :

M(1  ;  1  ;  34)\left(1\;;\;1\;;\;\dfrac34\right),   N(0  ;  12  ;  1)\left(0\;;\;\dfrac12\;;\;1\right),   P(1  ;  0  ;  −54)\left(1\;;\;0\;;\;-\dfrac54\right)

Dans cet exercice, on se propose de calculer le volume du tétraèdre FMNP.

  1. Donner les coordonnées des vecteurs MN→\overrightarrow{\text{MN}} et MP→\overrightarrow{\text{MP}}.

  2. Placer les points M, N et P sur la figure donnée en ANNEXE qui sera à rendre avec la copie.

  3. Justifier que les points M, N et P ne sont pas alignés.

    Dès lors les trois points définissent le plan (MNP).

    1. Calculer le produit scalaire MN→⋅MP→\overrightarrow{\text{MN}} \cdot \overrightarrow{\text{MP}}, puis en déduire la nature du triangle MNP.

    2. Calculer l'aire du triangle MNP.

    1. Montrer que le vecteur n→(5  ;  −8  ;  4)\overrightarrow{n}(5\;;\;-8\;;\;4) est un vecteur normal au plan (MNP).

    2. En déduire qu'une équation cartésienne du plan (MNP) est 5x−8y+4z=05x - 8y + 4z = 0.

  4. On rappelle que le point F a pour coordonnées F(1   0   1).

    Déterminer une représentation paramétrique de la droite dd orthogonale au plan (MNP) et passant par le point F.

  5. On note L le projeté orthogonal du point F sur le plan (MNP).

    Montrer que les coordonnées du point L sont: L(47  ;  2435  ;  2335)\left(\dfrac47\;;\;\dfrac{24}{35}\;;\;\dfrac{23}{35}\right).

  6. Montrer que FL =310535= \dfrac{3\sqrt{105}}{35} puis calculer le volume du tétraèdre FMNP.

    On rappelle que le volume V d'un tétraèdre est donné par la formule :

    V=13×aire d’une base×hauteur associeˊe aˋ cette baseV = \dfrac13 \times \text{aire d'une base} \times \text{hauteur associée à cette base}.

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Question 1. On calcule les coordonnées de MN→\overrightarrow{MN} et MP→\overrightarrow{MP} avec M(1  ;  1  ;  34)\left(1\;;\;1\;;\;\dfrac34\right), N(0  ;  12  ;  1)\left(0\;;\;\dfrac12\;;\;1\right) et P(1  ;  0  ;  −54)\left(1\;;\;0\;;\;-\dfrac54\right).

MN→(0−112−11−34)=(−1−1214),\overrightarrow{MN}\begin{pmatrix}0-1\\\dfrac12-1\\1-\dfrac34\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\-\dfrac12\\\dfrac14\end{pmatrix},

MP→(1−10−1−54−34)=(0−1−2).\overrightarrow{MP}\begin{pmatrix}1-1\\0-1\\-\dfrac54-\dfrac34\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\-1\\-2\end{pmatrix}.

Donc MN→(−1  ;  −12  ;  14)\overrightarrow{MN}\left(-1\;;\;-\dfrac12\;;\;\dfrac14\right) et MP→(0  ;  −1  ;  −2)\overrightarrow{MP}(0\;;\;-1\;;\;-2).

Réponse : MN→(−1  ;  −12  ;  14)\overrightarrow{MN}\left(-1\;;\;-\dfrac12\;;\;\dfrac14\right)   MP→(0  ;  −1  ;  −2)\overrightarrow{MP}(0\;;\;-1\;;\;-2).

Question 2. Dans le repère (A  ;  AB→,AD→,AE→)\left(A\;;\;\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AD},\overrightarrow{AE}\right), on a A(0  ;  0  ;  0)(0\;;\;0\;;\;0), B(1  ;  0  ;  0)(1\;;\;0\;;\;0), D(0  ;  1  ;  0)(0\;;\;1\;;\;0), E(0  ;  0  ;  1)(0\;;\;0\;;\;1), donc C(1  ;  1  ;  0)(1\;;\;1\;;\;0), F(1  ;  0  ;  1)(1\;;\;0\;;\;1), G(1  ;  1  ;  1)(1\;;\;1\;;\;1) et H(0  ;  1  ;  1)(0\;;\;1\;;\;1). On place les points de la façon suivante.

  • M(1  ;  1  ;  34)\left(1\;;\;1\;;\;\dfrac34\right) est sur l'arête [CG] (car x=y=1x=y=1 et 0⩽z⩽10\leqslant z\leqslant1), aux trois quarts de la hauteur à partir de C.

  • N(0  ;  12  ;  1)\left(0\;;\;\dfrac12\;;\;1\right) est le milieu de l'arête [EH] (car E(0  ;  0  ;  1)(0\;;\;0\;;\;1) et H(0  ;  1  ;  1)(0\;;\;1\;;\;1)).

  • P(1  ;  0  ;  −54)\left(1\;;\;0\;;\;-\dfrac54\right) est sur la droite (BF) (car x=1x=1 et y=0y=0), à l'extérieur du cube, en dessous de B (côté opposé à F), à la distance 54\dfrac54 de B.

Question 3. Si M, N et P étaient alignés, les vecteurs MN→\overrightarrow{MN} et MP→\overrightarrow{MP} seraient colinéaires.

Or la première coordonnée de MP→\overrightarrow{MP} est 00, alors que celle de MN→\overrightarrow{MN} est −1≠0-1\neq0. Si MP→=k MN→\overrightarrow{MP}=k\,\overrightarrow{MN}, on aurait 0=−k0=-k, donc k=0k=0 et MP→=0⃗\overrightarrow{MP}=\vec{0}, ce qui est faux car sa deuxième coordonnée est −1-1.

Les vecteurs MN→\overrightarrow{MN} et MP→\overrightarrow{MP} ne sont donc pas colinéaires.

Donc les points M, N et P ne sont pas alignés.

Question 4.

a) Le repère étant orthonormé, on calcule le produit scalaire à l'aide des coordonnées :

MN→⋅MP→=(−1)×0+(−12)×(−1)+14×(−2)=0+12−12=0.\overrightarrow{MN}\cdot\overrightarrow{MP}=(-1)\times0+\left(-\dfrac12\right)\times(-1)+\dfrac14\times(-2)=0+\dfrac12-\dfrac12=0.

Les vecteurs MN→\overrightarrow{MN} et MP→\overrightarrow{MP} sont non nuls et orthogonaux.

Donc le triangle MNP est rectangle en M.

Réponse : MN→⋅MP→=0\overrightarrow{MN}\cdot\overrightarrow{MP}=0   MNP est rectangle en M.

b) Le triangle MNP étant rectangle en M, son aire est 12×MN×MP\dfrac12\times MN\times MP.

Le repère étant orthonormé :

MN=(−1)2+(−12)2+(14)2=1+14+116=2116=214,MN=\sqrt{(-1)^2+\left(-\dfrac12\right)^2+\left(\dfrac14\right)^2}=\sqrt{1+\dfrac14+\dfrac1{16}}=\sqrt{\dfrac{21}{16}}=\dfrac{\sqrt{21}}{4},

MP=02+(−1)2+(−2)2=5.MP=\sqrt{0^2+(-1)^2+(-2)^2}=\sqrt{5}.

Donc

AMNP=12×214×5=1058.\mathcal{A}_{MNP}=\dfrac12\times\dfrac{\sqrt{21}}{4}\times\sqrt{5}=\dfrac{\sqrt{105}}{8}.

Donc l'aire du triangle MNP est 1058\dfrac{\sqrt{105}}{8} (en unités d'aire).

Réponse : AMNP=1058\mathcal{A}_{MNP}=\dfrac{\sqrt{105}}{8}.

Question 5.

a) On calcule les produits scalaires de n⃗(5  ;  −8  ;  4)\vec{n}(5\;;\;-8\;;\;4) avec MN→\overrightarrow{MN} et MP→\overrightarrow{MP} :

n⃗⋅MN→=5×(−1)+(−8)×(−12)+4×14=−5+4+1=0,\vec{n}\cdot\overrightarrow{MN}=5\times(-1)+(-8)\times\left(-\dfrac12\right)+4\times\dfrac14=-5+4+1=0,

n⃗⋅MP→=5×0+(−8)×(−1)+4×(−2)=0+8−8=0.\vec{n}\cdot\overrightarrow{MP}=5\times0+(-8)\times(-1)+4\times(-2)=0+8-8=0.

Le vecteur n⃗\vec{n} est orthogonal à MN→\overrightarrow{MN} et à MP→\overrightarrow{MP}, qui sont deux vecteurs non colinéaires du plan (MNP) (question 3).

Donc n⃗\vec{n} est un vecteur normal au plan (MNP).

b) Le plan (MNP) a pour vecteur normal n⃗(5  ;  −8  ;  4)\vec{n}(5\;;\;-8\;;\;4), donc il admet une équation cartésienne de la forme 5x−8y+4z+d=05x-8y+4z+d=0.

Le point M appartient au plan, donc

5×1−8×1+4×34+d=0  ⟺  5−8+3+d=0  ⟺  d=0.5\times1-8\times1+4\times\dfrac34+d=0\iff5-8+3+d=0\iff d=0.

On vérifie avec N et P :

N : 5×0−8×12+4×1=−4+4=0,P : 5×1−8×0+4×(−54)=5−5=0.\text{N : }5\times0-8\times\dfrac12+4\times1=-4+4=0,\qquad\text{P : }5\times1-8\times0+4\times\left(-\dfrac54\right)=5-5=0.

Donc une équation cartésienne du plan (MNP) est 5x−8y+4z=05x-8y+4z=0.

Question 6. La droite dd est orthogonale au plan (MNP), donc le vecteur normal n⃗(5  ;  −8  ;  4)\vec{n}(5\;;\;-8\;;\;4) est un vecteur directeur de dd.

La droite dd passe par F(1  ;  0  ;  1)(1\;;\;0\;;\;1).

Un point Q(x  ;  y  ;  z)(x\;;\;y\;;\;z) appartient à dd si et seulement s'il existe un réel tt tel que FQ→=t n⃗\overrightarrow{FQ}=t\,\vec{n}, ce qui donne

{x=1+5ty=−8tz=1+4t,t∈R.\begin{cases}x=1+5t\\ y=-8t\\ z=1+4t\end{cases},\quad t\in\mathbb{R}.

Donc dd admet pour représentation paramétrique x=1+5tx=1+5t, y=−8ty=-8t, z=1+4tz=1+4t, t∈Rt\in\mathbb{R}.

Réponse : dd : x=1+5tx=1+5t, y=−8ty=-8t, z=1+4tz=1+4t, t∈Rt\in\mathbb{R}.

Question 7. Le projeté orthogonal L de F sur le plan (MNP) est le point d'intersection de la droite dd (orthogonale au plan et passant par F) et du plan (MNP).

Les coordonnées de L vérifient la représentation paramétrique de dd et l'équation du plan. On remplace donc dans 5x−8y+4z=05x-8y+4z=0 :

5(1+5t)−8(−8t)+4(1+4t)=0.5(1+5t)-8(-8t)+4(1+4t)=0.

On développe :

5+25t+64t+4+16t=0  ⟺  9+105t=0  ⟺  t=−9105=−335.5+25t+64t+4+16t=0\iff9+105t=0\iff t=-\dfrac{9}{105}=-\dfrac{3}{35}.

On remplace t=−335t=-\dfrac{3}{35} dans la représentation paramétrique :

x=1+5×(−335)=1−1535=2035=47,x=1+5\times\left(-\dfrac3{35}\right)=1-\dfrac{15}{35}=\dfrac{20}{35}=\dfrac47,
y=−8×(−335)=2435,y=-8\times\left(-\dfrac3{35}\right)=\dfrac{24}{35},
z=1+4×(−335)=1−1235=2335.z=1+4\times\left(-\dfrac3{35}\right)=1-\dfrac{12}{35}=\dfrac{23}{35}.

Donc L(47  ;  2435  ;  2335)\left(\dfrac47\;;\;\dfrac{24}{35}\;;\;\dfrac{23}{35}\right).

Question 8. Le point L étant le projeté orthogonal de F sur le plan (MNP), la distance FL est la distance de F au plan (MNP).

On a FL→=t n⃗\overrightarrow{FL}=t\,\vec{n} avec t=−335t=-\dfrac3{35}, donc

FL=∣t∣×∥n⃗∥=335×52+(−8)2+42=335×25+64+16=310535.FL=|t|\times\|\vec{n}\|=\dfrac3{35}\times\sqrt{5^2+(-8)^2+4^2}=\dfrac3{35}\times\sqrt{25+64+16}=\dfrac{3\sqrt{105}}{35}.

Donc FL=310535FL=\dfrac{3\sqrt{105}}{35}.

Dans le tétraèdre FMNP, on choisit pour base le triangle MNP, d'aire 1058\dfrac{\sqrt{105}}{8} (question 4.b). La hauteur associée à cette base est FL, car (FL) est orthogonale au plan (MNP) qui contient la base.

On applique la formule V=13×aire d’une base×hauteur associeˊeV=\dfrac13\times\text{aire d'une base}\times\text{hauteur associée} :

V=13×1058×310535=105×1058×35=105280=38.V=\dfrac13\times\dfrac{\sqrt{105}}{8}\times\dfrac{3\sqrt{105}}{35}=\dfrac{\sqrt{105}\times\sqrt{105}}{8\times35}=\dfrac{105}{280}=\dfrac38.

Donc le volume du tétraèdre FMNP est 38\dfrac38 (en unités de volume).

Réponse : FL=310535FL=\dfrac{3\sqrt{105}}{35}   V=38V=\dfrac38.

Points clés attendus

  • Justifier la non-colinéarité par un argument sur les coordonnées, et pas seulement l'affirmer.

  • Produit scalaire nul : triangle rectangle   l'aire se calcule alors avec les deux côtés de l'angle droit.

  • Pour un vecteur normal : orthogonalité avec deux vecteurs non colinéaires du plan   l'équation cartésienne se déduit d'un point, puis se vérifie avec les autres.

  • Le projeté orthogonal est l'intersection de la droite orthogonale au plan passant par F et du plan   la distance FL se calcule avec ∣t∣×∥n⃗∥|t|\times\|\vec{n}\|.

  • Identifier la hauteur du tétraèdre associée à la base MNP et citer la formule du volume.

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Comment t'entraîner

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Asie, 23 mars 2023 (jour 1)), 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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