+ qu'un profMon espace

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

Bac 2024, Amérique du Nord : exercice 2

22 mai 2024 · jour 2 · 5 points

On considère le pavé droit ABCDEFGH tel que AB =3= 3 et AD = AE =1= 1 représenté ci-dessous.

Figure de l'énoncé, exercice 2, Amérique du Nord 22 mai 2024

On considère le point I du segment [AB] tel que AB→=3AI→\overrightarrow{\text{AB}}= 3 \overrightarrow{\text{AI}} et on appelle MM le milieu du segment [CD].

On se place dans le repère orthonormé (A  ;  AI→,AD→,AE→)\left(\text{A}\;;\; \overrightarrow{\text{AI}}, \overrightarrow{\text{AD}}, \overrightarrow{\text{AE}}\right).

  1. Sans justifier, donner les coordonnées des points F{}, H et M.

    1. Montrer que le vecteur n→(263)\overrightarrow{n}\begin{pmatrix}2\\6\\ 3\end{pmatrix} est un vecteur normal au plan (HMF).

    2. En déduire qu'une équation cartésienne du plan (HMF) est :

      2x+6y+3z−9=0.2x + 6y + 3z - 9 = 0.

    3. Le plan P\mathcal{P} dont une équation cartésienne est 5x+15y−3z+7=05x + 15y - 3z + 7 = 0 est-il parallèle au plan (HMF) ? Justifier la réponse.

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

  3. On appelle NN le point d'intersection de la droite (DG) avec le plan (HMF).

    Déterminer les coordonnées du point N.

  4. Le point R de coordonnées (3  ;  14  ;  12)\left(3\;;\;\dfrac{1}{4}\;;\;\dfrac{1}{2}\right) est-il le projeté orthogonal du point G sur le plan (HMF) ? Justifier la réponse.

Voir le corrigé

Question 1.

Dans le repère (A ;AI→,AD→,AE→)\left(A\,;\overrightarrow{AI},\overrightarrow{AD},\overrightarrow{AE}\right), on a A(0 ;0 ;0)A(0\,;0\,;0), I(1 ;0 ;0)I(1\,;0\,;0), D(0 ;1 ;0)D(0\,;1\,;0) et E(0 ;0 ;1)E(0\,;0\,;1).

Comme AB→=3AI→\overrightarrow{AB}=3\overrightarrow{AI}, on a B(3 ;0 ;0)B(3\,;0\,;0). Le pavé droit ABCDEFGH donne alors C(3 ;1 ;0)C(3\,;1\,;0).

Les points FF, HH et MM ont pour coordonnées

F(3 ;0 ;1),H(0 ;1 ;1),M(32 ;1 ;0),F(3\,;0\,;1),\qquad H(0\,;1\,;1),\qquad M\left(\dfrac32\,;1\,;0\right),
MM étant le milieu de [CD][CD].

Question 2. a)

On calcule deux vecteurs du plan (HMF)(HMF), coordonnée par coordonnée :

HM→(32−01−10−1)=(320−1),HF→(3−00−11−1)=(3−10).\overrightarrow{HM}\begin{pmatrix}\frac32-0\\1-1\\0-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac32\\0\\-1\end{pmatrix},\qquad\overrightarrow{HF}\begin{pmatrix}3-0\\0-1\\1-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3\\-1\\0\end{pmatrix}.

Ces vecteurs ne sont pas colinéaires : la deuxième coordonnée de HM→\overrightarrow{HM} est nulle alors que celle de HF→\overrightarrow{HF} ne l'est pas, et HM→\overrightarrow{HM} n'est pas le vecteur nul. Donc les points HH, MM, FF ne sont pas alignés et définissent bien un plan.

On calcule les produits scalaires avec n⃗(2 ;6 ;3)\vec{n}(2\,;6\,;3) :

n⃗⋅HM→=2×32+6×0+3×(−1)=3−3=0,\vec{n}\cdot\overrightarrow{HM}=2\times\dfrac32+6\times0+3\times(-1)=3-3=0,

n⃗⋅HF→=2×3+6×(−1)+3×0=6−6=0.\vec{n}\cdot\overrightarrow{HF}=2\times3+6\times(-1)+3\times0=6-6=0.

Le vecteur n⃗\vec{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (HMF)(HMF), donc il est orthogonal à tout vecteur de ce plan.

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

Question 2. b)

Comme n⃗(2 ;6 ;3)\vec{n}(2\,;6\,;3) est normal au plan (HMF)(HMF), une équation cartésienne de ce plan est de la forme

2x+6y+3z+d=0.2x+6y+3z+d=0.

Le point F(3 ;0 ;1)F(3\,;0\,;1) appartient au plan :

2×3+6×0+3×1+d=0  ⟺  9+d=0  ⟺  d=−9.2\times3+6\times0+3\times1+d=0\iff9+d=0\iff d=-9.

Une équation cartésienne de (HMF)(HMF) est donc

2x+6y+3z−9=0.2x+6y+3z-9=0.

Vérification avec les deux autres points : pour H(0 ;1 ;1)H(0\,;1\,;1), 0+6+3−9=00+6+3-9=0   pour M(32 ;1 ;0)M\left(\dfrac32\,;1\,;0\right), 3+6+0−9=03+6+0-9=0.

Question 2. c)

Un vecteur normal au plan P\mathcal{P} est n′⃗(5 ;15 ;−3)\vec{n'}(5\,;15\,;-3).

Deux plans sont parallèles si et seulement si leurs vecteurs normaux sont colinéaires. On compare les coordonnées de n′⃗\vec{n'} et de n⃗(2 ;6 ;3)\vec{n}(2\,;6\,;3) :

52=2,5,156=2,5,−33=−1.\dfrac52=2{,}5,\qquad\dfrac{15}{6}=2{,}5,\qquad\dfrac{-3}{3}=-1.

Les rapports ne sont pas tous égaux (la troisième coordonnée donne −1≠2,5-1\neq2{,}5), donc n⃗\vec{n} et n′⃗\vec{n'} ne sont pas colinéaires.

Donc le plan P\mathcal{P} n'est pas parallèle au plan (HMF)(HMF).

Question 3.

On a D(0 ;1 ;0)D(0\,;1\,;0) et G(3 ;1 ;1)G(3\,;1\,;1), donc

DG→(301).\overrightarrow{DG}\begin{pmatrix}3\\0\\1\end{pmatrix}.

La droite (DG)(DG) passe par D(0 ;1 ;0)D(0\,;1\,;0) et a pour vecteur directeur DG→\overrightarrow{DG}. Une représentation paramétrique de (DG)(DG) est donc

{x=3ty=1z=t(t∈R).\begin{cases}x=3t\\y=1\\z=t\end{cases}\qquad(t\in\mathbb{R}).

On vérifie : t=0t=0 donne DD et t=1t=1 donne GG.

Question 4.

Le point NN appartient à la fois à la droite (DG)(DG) et au plan (HMF)(HMF). Ses coordonnées (3t ;1 ;t)(3t\,;1\,;t) vérifient donc l'équation du plan :

2×3t+6×1+3×t−9=0  ⟺  9t−3=0  ⟺  t=13.2\times3t+6\times1+3\times t-9=0\iff9t-3=0\iff t=\dfrac13.

On reporte t=13t=\dfrac13 dans la représentation paramétrique de (DG)(DG) :

x=3×13=1,y=1,z=13.x=3\times\dfrac13=1,\qquad y=1,\qquad z=\dfrac13.

Donc le point d'intersection de la droite (DG)(DG) et du plan (HMF)(HMF) est

N(1 ;1 ;13).N\left(1\,;1\,;\dfrac13\right).

Réponse : N(1 ;1 ;13)N\left(1\,;1\,;\dfrac13\right).

Question 5.

Le projeté orthogonal de GG sur le plan (HMF)(HMF) est l'unique point R′R' du plan tel que le vecteur GR′→\overrightarrow{GR'} soit orthogonal au plan, c'est-à-dire colinéaire à un vecteur normal n⃗\vec{n}. Il faut donc vérifier deux conditions pour R(3 ;14 ;12)R\left(3\,;\dfrac14\,;\dfrac12\right).

Condition 1 : RR appartient au plan.

2×3+6×14+3×12−9=6+32+32−9=0.2\times3+6\times\dfrac14+3\times\dfrac12-9=6+\dfrac32+\dfrac32-9=0.

Cette condition est vérifiée.

Condition 2 : GR→\overrightarrow{GR} est colinéaire à n⃗\vec{n}.

GR→(3−314−112−1)=(0−34−12).\overrightarrow{GR}\begin{pmatrix}3-3\\\frac14-1\\\frac12-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\-\frac34\\-\frac12\end{pmatrix}.

La première coordonnée de GR→\overrightarrow{GR} est nulle, alors que celle de n⃗(2 ;6 ;3)\vec{n}(2\,;6\,;3) ne l'est pas, et GR→\overrightarrow{GR} n'est pas le vecteur nul. Donc GR→\overrightarrow{GR} n'est pas colinéaire à n⃗\vec{n}.

La deuxième condition n'est pas vérifiée.

Donc RR n'est pas le projeté orthogonal du point GG sur le plan (HMF)(HMF).

Points clés attendus

  • Question 2. a) : calculer HM→\overrightarrow{HM} et HF→\overrightarrow{HF}, montrer leur non-colinéarité, puis les deux produits scalaires nuls avec n⃗\vec{n}.

  • Question 2. b) : déterminer la constante avec un point du plan et vérifier avec les deux autres points.

  • Question 2. c) : parallélisme de plans équivaut à la colinéarité des vecteurs normaux   la justifier par un rapport de coordonnées qui diffère.

  • Question 4 : substituer la représentation paramétrique dans l'équation du plan, puis revenir aux coordonnées de NN.

  • Question 5 : le projeté orthogonal doit vérifier deux conditions (appartenir au plan et GR→\overrightarrow{GR} colinéaire à n⃗\vec{n})   en montrer une qui échoue suffit pour répondre non.

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

  • Exercice 1 · 5 points · Succession d'épreuves et loi binomiale
  • Exercice 3 · 6 points · Suites
  • Exercice 4 · 4 points · Fonction logarithme · Primitives et équations différentielles · Orthogonalité et distances dans l'espace

Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Amérique du Nord, 22 mai 2024 (jour 2)), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès et François Hache) ; 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