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

Bac 2023, Centres étrangers : exercice 3

14 mars 2023 · jour 2 · 6 points

La figure ci-dessous correspond à la maquette d'un projet architectural.

Il s'agit d'une maison de forme cubique (ABCDEFGH) accolée à un garage de forme cubique (BIJKLMNO) où L est le milieu du segment [BF] et K est le milieu du segment [BC].

Le garage est surmonté d'un toit de forme pyramidale (LMNOP) de base carrée LMNO et de sommet P positionné sur la façade de la maison.

Figure de l'énoncé, exercice 3, Centres étrangers 14 mars 2023

On munit l'espace du repère orthonormé (A  ;  ı→,  ȷ→,  k→)\left(\text{A}\;;\;\overrightarrow{\imath},\;\overrightarrow{\jmath},\;\overrightarrow{k}\right), avec ı→=12AB→,  ȷ→=12AD→\overrightarrow{\imath} = \dfrac12\overrightarrow{\text{AB}},\;\overrightarrow{\jmath} = \dfrac12\overrightarrow{\text{AD}} et k→=12AE→\overrightarrow{k} = \dfrac12\overrightarrow{\text{AE}}.

    1. Par lecture graphique, donner les coordonnées des points H, M et N.

    2. Déterminer une représentation paramétrique de la droite (HM).

  1. L'architecte place le point P à l'intersection de la droite (HM) et du plan (BCF).

    Montrer que les coordonnées de P sont (2  ;  23  ;  43)\left(2\;;\;\dfrac23\;;\;\dfrac43\right).

    1. Calculer le produit scalaire PM→⋅PN→\overrightarrow{\text{PM}} \cdot \overrightarrow{\text{PN}}.

    2. Calculer la distance PM.

      On admet que la distance PN est égale à 113\dfrac{\sqrt{11}}{3}.

    3. Pour satisfaire à des contraintes techniques, le toit ne peut être construit que si l'angle MPN^\widehat{\text{MPN}} ne dépasse pas 55∘55^\circ.

      Le toit pourra-t-il être construit ?

  2. Justifier que les droites (HM) et (EN) sont sécantes.

    Quel est leur point d'intersection ?

Voir le corrigé

Question 1. a)

Le repère est (A ;ı⃗,ȷ⃗,k⃗)\left(\mathrm{A}\,;\vec\imath,\vec\jmath,\vec k\right) avec ı⃗=12AB→\vec\imath=\dfrac12\overrightarrow{\mathrm{AB}}, ȷ⃗=12AD→\vec\jmath=\dfrac12\overrightarrow{\mathrm{AD}} et k⃗=12AE→\vec k=\dfrac12\overrightarrow{\mathrm{AE}}.

Donc l'arête du cube ABCDEFGH\mathrm{ABCDEFGH} mesure 22 unités : B(2 ;0 ;0)\mathrm{B}(2\,;0\,;0), D(0 ;2 ;0)\mathrm{D}(0\,;2\,;0), E(0 ;0 ;2)\mathrm{E}(0\,;0\,;2), et par suite C(2 ;2 ;0)\mathrm{C}(2\,;2\,;0), F(2 ;0 ;2)\mathrm{F}(2\,;0\,;2), H(0 ;2 ;2)\mathrm{H}(0\,;2\,;2).

Le point L est le milieu de [BF][\mathrm{BF}] et K le milieu de [BC][\mathrm{BC}] : le garage BIJKLMNO\mathrm{BIJKLMNO} est un cube d'arête 11 unité, accolé à la maison le long de la face (BCGF)(\mathrm{BCGF}), avec I\mathrm{I} sur la demi-droite [AB)[\mathrm{AB}) au-delà de B\mathrm{B}.

On en déduit I(3 ;0 ;0)\mathrm{I}(3\,;0\,;0), L(2 ;0 ;1)\mathrm{L}(2\,;0\,;1), puis M(3 ;0 ;1)\mathrm{M}(3\,;0\,;1) (au-dessus de I) et N(3 ;1 ;1)\mathrm{N}(3\,;1\,;1) (décalé de 11 selon ȷ⃗\vec\jmath par rapport à M).

On lit donc

H(0 ;2 ;2),M(3 ;0 ;1),N(3 ;1 ;1).\mathrm{H}(0\,;2\,;2),\qquad\mathrm{M}(3\,;0\,;1),\qquad\mathrm{N}(3\,;1\,;1).

Réponse : H(0 ;2 ;2)\mathrm{H}(0\,;2\,;2), M(3 ;0 ;1)\mathrm{M}(3\,;0\,;1), N(3 ;1 ;1)\mathrm{N}(3\,;1\,;1).

1. b)

On calcule les coordonnées du vecteur HM→\overrightarrow{\mathrm{HM}} :

HM→(3−00−21−2)=(3−2−1).\overrightarrow{\mathrm{HM}}\begin{pmatrix}3-0\\0-2\\1-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3\\-2\\-1\end{pmatrix}.

Ce vecteur est non nul : il dirige la droite (HM)(\mathrm{HM}), qui passe par H(0 ;2 ;2)\mathrm{H}(0\,;2\,;2).

Une représentation paramétrique de (HM)(\mathrm{HM}) est donc

{x=3ty=2−2tz=2−tt∈R.\left\{\begin{array}{l}x=3t\\y=2-2t\\z=2-t\end{array}\right.\qquad t\in\mathbb{R}.

Vérification : pour t=1t=1, on retrouve (3 ;0 ;1)=M(3\,;0\,;1)=\mathrm{M}.

Réponse : x=3tx=3t, y=2−2ty=2-2t, z=2−tz=2-t, avec t∈Rt\in\mathbb{R}.

Question 2.

Les points B(2 ;0 ;0)\mathrm{B}(2\,;0\,;0), C(2 ;2 ;0)\mathrm{C}(2\,;2\,;0) et F(2 ;0 ;2)\mathrm{F}(2\,;0\,;2) ont tous pour abscisse 22.

Ils ne sont pas alignés : BC→(020)\overrightarrow{\mathrm{BC}}\begin{pmatrix}0\\2\\0\end{pmatrix} et BF→(002)\overrightarrow{\mathrm{BF}}\begin{pmatrix}0\\0\\2\end{pmatrix} ne sont pas colinéaires.

Donc le plan (BCF)(\mathrm{BCF}) est le plan d'équation cartésienne x=2x=2.

Le point P est l'intersection de (HM)(\mathrm{HM}) et de ce plan : ses coordonnées sont celles d'un point de la droite, pour la valeur de tt telle que x=2x=2.

On résout 3t=23t=2, d'où t=23t=\dfrac23.

On calcule alors les autres coordonnées :

y=2−2×23=2−43=23,z=2−23=43.y=2-2\times\dfrac23=2-\dfrac43=\dfrac23,\qquad z=2-\dfrac23=\dfrac43.

Donc P a pour coordonnées (2 ;23 ;43)\left(2\,;\dfrac23\,;\dfrac43\right).

Question 3. a)

On calcule les coordonnées des vecteurs PM→\overrightarrow{\mathrm{PM}} et PN→\overrightarrow{\mathrm{PN}} :

PM→(3−20−231−43)=(1−23−13),PN→(3−21−231−43)=(113−13).\overrightarrow{\mathrm{PM}}\begin{pmatrix}3-2\\0-\frac23\\1-\frac43\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\-\frac23\\-\frac13\end{pmatrix},\qquad \overrightarrow{\mathrm{PN}}\begin{pmatrix}3-2\\1-\frac23\\1-\frac43\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\\frac13\\-\frac13\end{pmatrix}.

Le repère étant orthonormé, le produit scalaire se calcule avec les coordonnées :

PM→⋅PN→=1×1+(−23)×13+(−13)×(−13)=1−29+19=89.\overrightarrow{\mathrm{PM}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PN}}=1\times1+\left(-\dfrac23\right)\times\dfrac13+\left(-\dfrac13\right)\times\left(-\dfrac13\right)=1-\dfrac29+\dfrac19=\dfrac89.

Donc PM→⋅PN→=89\overrightarrow{\mathrm{PM}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PN}}=\dfrac89.

Réponse : PM→⋅PN→=89\overrightarrow{\mathrm{PM}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PN}}=\dfrac89.

3. b)

Le repère est orthonormé, donc

PM=12+(−23)2+(−13)2=1+49+19=149=143.\mathrm{PM}=\sqrt{1^2+\left(-\dfrac23\right)^2+\left(-\dfrac13\right)^2}=\sqrt{1+\dfrac49+\dfrac19}=\sqrt{\dfrac{14}{9}}=\dfrac{\sqrt{14}}{3}.

Donc PM=143\mathrm{PM}=\dfrac{\sqrt{14}}{3}.

Réponse : PM=143≈1,247\mathrm{PM}=\dfrac{\sqrt{14}}{3}\approx1{,}247.

3. c)

On utilise l'expression du produit scalaire avec le cosinus :

PM→⋅PN→=PM×PN×cos⁡MPN^.\overrightarrow{\mathrm{PM}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PN}}=\mathrm{PM}\times\mathrm{PN}\times\cos\widehat{\mathrm{MPN}}.

Avec PM=143\mathrm{PM}=\dfrac{\sqrt{14}}{3} et PN=113\mathrm{PN}=\dfrac{\sqrt{11}}{3} (admis), on obtient

cos⁡MPN^=89143×113=891549=8154≈0,645.\cos\widehat{\mathrm{MPN}}=\dfrac{\frac89}{\frac{\sqrt{14}}{3}\times\frac{\sqrt{11}}{3}}=\dfrac{\frac89}{\frac{\sqrt{154}}{9}}=\dfrac{8}{\sqrt{154}}\approx0{,}645.

La fonction cosinus est strictement décroissante sur [0 ;π][0\,;\pi], et cos⁡(55∘)≈0,574\cos(55^\circ)\approx0{,}574.

Comme cos⁡MPN^≈0,645>cos⁡(55∘)\cos\widehat{\mathrm{MPN}}\approx0{,}645>\cos(55^\circ), on a MPN^<55∘\widehat{\mathrm{MPN}}<55^\circ.

Plus précisément, MPN^=arccos⁡ ⁣(8154)≈49,9∘\widehat{\mathrm{MPN}}=\arccos\!\left(\dfrac{8}{\sqrt{154}}\right)\approx49{,}9^\circ.

Donc l'angle MPN^\widehat{\mathrm{MPN}} ne dépasse pas 55∘55^\circ : le toit pourra être construit.

Réponse : MPN^≈49,9∘⩽55∘\widehat{\mathrm{MPN}}\approx49{,}9^\circ\leqslant55^\circ, le toit pourra être construit.

Question 4.

On calcule le vecteur EN→\overrightarrow{\mathrm{EN}}, avec E(0 ;0 ;2)\mathrm{E}(0\,;0\,;2) et N(3 ;1 ;1)\mathrm{N}(3\,;1\,;1) :

EN→(31−1).\overrightarrow{\mathrm{EN}}\begin{pmatrix}3\\1\\-1\end{pmatrix}.

Le vecteur HM→(3−2−1)\overrightarrow{\mathrm{HM}}\begin{pmatrix}3\\-2\\-1\end{pmatrix} dirige (HM)(\mathrm{HM}).

Ces deux vecteurs ne sont pas colinéaires : s'ils l'étaient, comme leurs premières coordonnées sont égales à 33, le coefficient serait 11 et on aurait 1=−21=-2, ce qui est faux.

Donc les droites (HM)(\mathrm{HM}) et (EN)(\mathrm{EN}) ne sont pas parallèles.

Une représentation paramétrique de (EN)(\mathrm{EN}) est

{x=3sy=sz=2−ss∈R.\left\{\begin{array}{l}x=3s\\y=s\\z=2-s\end{array}\right.\qquad s\in\mathbb{R}.

Un point commun correspond à des paramètres tt et ss vérifiant

{3t=3s2−2t=s2−t=2−s\left\{\begin{array}{l}3t=3s\\2-2t=s\\2-t=2-s\end{array}\right.

La première équation donne t=st=s   la troisième donne aussi t=st=s.

On remplace dans la deuxième : 2−2t=t2-2t=t, donc t=23t=\dfrac23, et s=23s=\dfrac23.

Le système admet donc une unique solution : les deux droites ont un point commun et ne sont pas parallèles, elles sont donc sécantes.

Les coordonnées du point d'intersection sont obtenues avec t=23t=\dfrac23 :

x=3×23=2,y=2−43=23,z=2−23=43.x=3\times\dfrac23=2,\qquad y=2-\dfrac43=\dfrac23,\qquad z=2-\dfrac23=\dfrac43.

Donc les droites (HM)(\mathrm{HM}) et (EN)(\mathrm{EN}) sont sécantes au point (2 ;23 ;43)\left(2\,;\dfrac23\,;\dfrac43\right), c'est-à-dire au point P\mathrm{P}.

Réponse : les droites sont sécantes en P(2 ;23 ;43)\mathrm{P}\left(2\,;\dfrac23\,;\dfrac43\right).

Points clés attendus

  • Exploiter le repère (A ;ı⃗,ȷ⃗,k⃗)\left(\mathrm{A}\,;\vec\imath,\vec\jmath,\vec k\right) : arête de la maison égale à 22 unités, garage d'arête 11.

  • Pour P : équation du plan (BCF)(\mathrm{BCF}) (x=2x=2), puis résolution à partir de la représentation paramétrique de (HM)(\mathrm{HM}).

  • Produit scalaire et normes calculés avec les coordonnées dans un repère orthonormé.

  • Pour l'angle : formule PM→⋅PN→=PM×PN×cos⁡MPN^\overrightarrow{\mathrm{PM}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{PN}}=\mathrm{PM}\times\mathrm{PN}\times\cos\widehat{\mathrm{MPN}}, puis comparaison à 55∘55^\circ.

  • Sécantes : non-colinéarité des vecteurs directeurs et système avec deux paramètres distincts tt et ss.

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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.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Centres étrangers, 14 mars 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.

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