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

Bac 2023, Centres étrangers 2 : exercice 3

22 mars 2023 · jour 2 · 5 points

L'espace est muni d'un repère orthonormé (O ; ı⃗, ȷ⃗, k⃗)\left(\mathrm{O}\,;\,\vec{\imath},\,\vec{\jmath},\,\vec{k}\right).

On considère les points

A(3   0   1),  B(2   1   2)  et   C(−2  ;  −5  ;  1)(- 2\;;\;- 5\;;\;1).

  1. Démontrer que les points A, B et C ne sont pas alignés.

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

  3. Vérifier que le plan (ABC) a pour équation cartésienne:

    −x+y−2z+5=0.-x + y - 2z + 5 = 0.

  4. On considère le point S(1  ;  −2  ;  4)(1\;;\;-2\;;\;4).

    Déterminer la représentation paramétrique de la droite (Δ\Delta), passant par S et orthogonale au plan (ABC).

  5. On appelle H le point d'intersection de la droite (Δ\Delta) et du plan (ABC).

    Montrer que les coordonnées de H sont (0  ;  −1  ;  2)(0\;;\;-1\;;\;2).

  6. Calculer la valeur exacte de la distance SH.

  7. On considère le cercle C\mathcal{C}, inclus dans le plan (ABC), de centre H, passant par le point B. On appelle D\mathcal{D} le disque délimité par le cercle C\mathcal{C}.

    Déterminer la valeur exacte de l'aire du disque D\mathcal{D}.

  8. En déduire la valeur exacte du volume du cône de sommet S et de base le disque D\mathcal{D}.

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Question 1. On calcule les coordonnées des vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC}, avec A(3  ;  0  ;  1)(3\;;\;0\;;\;1), B(2  ;  1  ;  2)(2\;;\;1\;;\;2) et C(−2  ;  −5  ;  1)(-2\;;\;-5\;;\;1).

AB→(2−31−02−1)=(−111)etAC→(−2−3−5−01−1)=(−5−50).\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}2-3\\1-0\\2-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\1\\1\end{pmatrix}\qquad\text{et}\qquad\overrightarrow{AC}\begin{pmatrix}-2-3\\-5-0\\1-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-5\\-5\\0\end{pmatrix}.

Les points A, B et C sont alignés si et seulement si les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} sont colinéaires.

Supposons qu'il existe un réel kk tel que AC→=k AB→\overrightarrow{AC}=k\,\overrightarrow{AB}.

La coordonnée en zz donnerait 0=k×10=k\times1, donc k=0k=0.

On aurait alors AC→=0⃗\overrightarrow{AC}=\vec{0}, ce qui est faux car AC→\overrightarrow{AC} a pour première coordonnée −5≠0-5\neq0.

Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} ne sont donc pas colinéaires.

Donc les points A, B et C ne sont pas alignés.

Question 2. On calcule le produit scalaire AB→⋅AC→\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC} à l'aide des coordonnées dans le repère orthonormé.

AB→⋅AC→=(−1)×(−5)+1×(−5)+1×0=5−5+0=0.\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=(-1)\times(-5)+1\times(-5)+1\times0=5-5+0=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 3. On pose n⃗(−11−2)\vec{n}\begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}, vecteur dont les coordonnées sont les coefficients de xx, yy, zz dans l'équation proposée.

n⃗⋅AB→=(−1)(−1)+1×1+(−2)×1=1+1−2=0,\vec{n}\cdot\overrightarrow{AB}=(-1)(-1)+1\times1+(-2)\times1=1+1-2=0,

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

Le vecteur n⃗\vec{n} est orthogonal à AB→\overrightarrow{AB} et à AC→\overrightarrow{AC}, qui sont deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC) (question 1).

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

Le plan (ABC) admet donc une équation cartésienne de la forme −x+y−2z+d=0-x+y-2z+d=0, où dd est un réel.

Le point A appartient au plan, donc ses coordonnées vérifient l'équation :

−3+0−2×1+d=0  ⟺  d=5.-3+0-2\times1+d=0\iff d=5.

On vérifie avec les deux autres points :

B : −2+1−2×2+5=0,C : 2−5−2×1+5=0.\text{B : }-2+1-2\times2+5=0,\qquad\text{C : }2-5-2\times1+5=0.

Donc le plan (ABC) a pour équation cartésienne −x+y−2z+5=0-x+y-2z+5=0.

Question 4. La droite (Δ)(\Delta) est orthogonale au plan (ABC), donc le vecteur normal n⃗(−1  ;  1  ;  −2)\vec{n}(-1\;;\;1\;;\;-2) est un vecteur directeur de (Δ)(\Delta).

La droite (Δ)(\Delta) passe par S(1  ;  −2  ;  4)(1\;;\;-2\;;\;4).

Un point M(x  ;  y  ;  z)(x\;;\;y\;;\;z) appartient à (Δ)(\Delta) si et seulement si SM→\overrightarrow{SM} est colinéaire à n⃗\vec{n}, c'est-à-dire s'il existe un réel tt tel que SM→=t n⃗\overrightarrow{SM}=t\,\vec{n}.

Donc une représentation paramétrique de (Δ)(\Delta) est

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

Réponse : (Δ)(\Delta) : x=1−tx=1-t, y=−2+ty=-2+t, z=4−2tz=4-2t, t∈Rt\in\mathbb{R}.

Question 5. La droite (Δ)(\Delta) n'est pas parallèle au plan (ABC), puisque son vecteur directeur n⃗\vec{n} est normal au plan : elle coupe donc le plan en un unique point H.

Les coordonnées de H vérifient à la fois la représentation paramétrique de (Δ)(\Delta) et l'équation du plan. On remplace donc xx, yy, zz dans l'équation du plan :

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

On développe :

−1+t−2+t−8+4t+5=0  ⟺  6t−6=0  ⟺  t=1.-1+t-2+t-8+4t+5=0\iff6t-6=0\iff t=1.

On remplace t=1t=1 dans la représentation paramétrique :

x=1−1=0,y=−2+1=−1,z=4−2=2.x=1-1=0,\qquad y=-2+1=-1,\qquad z=4-2=2.

Donc le point d'intersection de (Δ)(\Delta) et du plan (ABC) est H(0  ;  −1  ;  2)(0\;;\;-1\;;\;2).

Question 6. On calcule les coordonnées du vecteur SH→\overrightarrow{SH} :

SH→(0−1−1−(−2)2−4)=(−11−2).\overrightarrow{SH}\begin{pmatrix}0-1\\-1-(-2)\\2-4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\1\\-2\end{pmatrix}.

Le repère étant orthonormé,

SH=(−1)2+12+(−2)2=1+1+4=6.SH=\sqrt{(-1)^2+1^2+(-2)^2}=\sqrt{1+1+4}=\sqrt{6}.

Donc SH=6SH=\sqrt{6}.

Réponse : SH=6SH=\sqrt{6}.

Question 7. Le cercle C\mathcal{C} est inclus dans le plan (ABC), de centre H, et passe par B. Son rayon est donc HBHB.

On calcule HB→(2−01−(−1)2−2)=(220)\overrightarrow{HB}\begin{pmatrix}2-0\\1-(-1)\\2-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}2\\2\\0\end{pmatrix}, donc

HB2=22+22+02=8.HB^2=2^2+2^2+0^2=8.

L'aire d'un disque de rayon rr est πr2\pi r^2. Ici r2=HB2=8r^2=HB^2=8.

Donc l'aire du disque D\mathcal{D} est 8π8\pi (en unités d'aire).

Réponse : A(D)=8π\mathcal{A}(\mathcal{D})=8\pi.

Question 8. Le cône a pour sommet S et pour base le disque D\mathcal{D}, contenu dans le plan (ABC).

Le point H appartient au plan (ABC) et la droite (SH) =(Δ)=(\Delta) est orthogonale à ce plan : H est le projeté orthogonal de S sur le plan (ABC). De plus H est le centre du disque.

La hauteur du cône est donc SH=6SH=\sqrt{6}.

Le volume d'un cône est V=13×aire de la base×hauteurV=\dfrac13\times\text{aire de la base}\times\text{hauteur}. Donc

V=13×8π×6=8π63.V=\dfrac13\times8\pi\times\sqrt{6}=\dfrac{8\pi\sqrt{6}}{3}.

Donc le volume du cône de sommet S et de base le disque D\mathcal{D} est 8π63\dfrac{8\pi\sqrt{6}}{3} (en unités de volume).

Réponse : V=8π63V=\dfrac{8\pi\sqrt{6}}{3}.

Points clés attendus

  • Justifier la non-colinéarité de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} par un raisonnement (pas seulement par les coordonnées écrites).

  • Pour l'équation du plan : montrer que n⃗\vec{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan, puis déterminer dd avec un point et vérifier les autres.

  • Un vecteur normal au plan est un vecteur directeur de la droite orthogonale au plan.

  • Intersection droite-plan : substituer la représentation paramétrique dans l'équation du plan, résoudre en tt, puis revenir aux coordonnées.

  • Reconnaître que SH est la hauteur du cône (H projeté orthogonal de S) et citer la formule du volume.

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Comment t'entraîner

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Les autres exercices de ce sujet

  • Exercice 1 · 5 points · Dérivation et convexité · Limites de fonctions
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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2023 (Centres étrangers 2, 22 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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