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Terminale Spé Maths / Chapitre 10 : Vecteurs, droites et plans de l'espace / Annales du bac

Bac 2024, Amérique du Sud : exercice 4

21 novembre 2024 · jour 1 · 5 points

L'objectif de cet exercice est de déterminer la distance entre deux droites non coplanaires.

Par définition, la distance entre deux droites non coplanaires de l'espace, (d1)(d_1) et (d2)(d_2) est la longueur du segment [EF], où E et F sont des points appartenant respectivement à (d1)(d_1) et à (d2)(d_2) tels que la droite (EF) est orthogonale à (d1)(d_1) et (d2)(d_2).

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

Soit (d1)(d_1) la droite passant par A(1  ;  2  ;  −1)(1\;;\;2\;;\;-1) de vecteur directeur u1→(120)\overrightarrow{u_1}\begin{pmatrix}1\\2\\0\end{pmatrix} et (d2)(d_2) la droite dont une représentation paramétrique est : {x=0y=1+tz=2+t, t∈R.\left\{\begin{array}{l c l} x&=&0\\y &=& 1 + t\\z &=& 2 + t\\ \end{array}\right.,\, t \in \mathbb{R}.

  1. Donner une représentation paramétrique de la droite (d1)(d_1).

  2. Démontrer que les droites (d1)(d_1) et (d2)(d_2) sont non coplanaires.

  3. Soit P\mathcal{P} le plan passant par A et dirigé par les vecteurs non colinéaires u1→\overrightarrow{u_1} et w→(2−11)\overrightarrow{w}\begin{pmatrix}2\\-1\\1\\\end{pmatrix}.

    Justifier qu'une équation cartésienne du plan P\mathcal{P} est : −2x+y+5z+5=0-2x +y +5z +5 = 0.

    1. Sans chercher à calculer les coordonnées du point d'intersection, justifier que la droite (d2)(d_2) et le plan P\mathcal{P} sont sécants.

    2. On note F le point d'intersection de la droite (d2)(d_2) et du plan P\mathcal{P}.

      Vérifier que le point F a pour coordonnées (0  ;  −53  ;  −23)\left(0\;;\;- \dfrac53\;;\;- \dfrac23\right).

Soit (δ)(\delta) la droite passant par F et de vecteur directeur w→\overrightarrow{w}. On admet que les droites (δ)(\delta) et (d1)(d_1) sont sécantes en un point E de coordonnées (−23  ;  −43  ;  −1)\left( -\dfrac23\;;\;- \dfrac43\;;\;-1\right).

    1. Justifier que la distance EF est la distance entre les droites (d1)(d_1) et (d2)(d_2).

    2. Calculer la distance entre les droites (d1)(d_1) et (d2)(d_2).

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Question 1.

Un point M(x  ;  y  ;  z)M(x\;;\;y\;;\;z) appartient à la droite (d1)(d_1) si et seulement si les vecteurs AM→\overrightarrow{AM} et u1⃗\vec{u_1} sont colinéaires, c'est-à-dire s'il existe un réel ss tel que AM→=s u1⃗\overrightarrow{AM}=s\,\vec{u_1}.

On a AM→(x−1  ;  y−2  ;  z+1)\overrightarrow{AM}(x-1\;;\;y-2\;;\;z+1) et s u1⃗(s  ;  2s  ;  0)s\,\vec{u_1}(s\;;\;2s\;;\;0). On identifie les coordonnées :

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

Donc une représentation paramétrique de (d1)(d_1) est

(d1):{x=1+sy=2+2sz=−1,s∈R.(d_1) : \begin{cases}x=1+s\\ y=2+2s\\ z=-1\end{cases},\quad s\in\mathbb{R}.

Question 2.

Pour montrer que (d1)(d_1) et (d2)(d_2) ne sont pas coplanaires, on montre qu'elles ne sont ni parallèles ni sécantes.

Elles ne sont pas parallèles. Un vecteur directeur de (d2)(d_2) est u2⃗(0  ;  1  ;  1)\vec{u_2}(0\;;\;1\;;\;1), lu sur la représentation paramétrique. Les vecteurs u1⃗(1  ;  2  ;  0)\vec{u_1}(1\;;\;2\;;\;0) et u2⃗(0  ;  1  ;  1)\vec{u_2}(0\;;\;1\;;\;1) ne sont pas colinéaires : si l'on avait u2⃗=λu1⃗\vec{u_2}=\lambda\vec{u_1}, l'abscisse donnerait 0=λ×10=\lambda\times 1, donc λ=0\lambda=0, ce qui contredit 1=λ×21=\lambda\times 2. Donc les droites ne sont pas parallèles.

Elles ne sont pas sécantes. Un point commun correspondrait à des réels ss et tt vérifiant

{1+s=02+2s=1+t−1=2+t.\begin{cases}1+s=0\\ 2+2s=1+t\\ -1=2+t\end{cases}.

La première équation donne s=−1s=-1. La troisième donne t=−3t=-3.

La deuxième équation devient alors 2+2×(−1)=02+2\times(-1)=0 d'un côté et 1+(−3)=−21+(-3)=-2 de l'autre, soit 0=−20=-2 : c'est impossible.

Le système n'a pas de solution, donc les droites n'ont aucun point commun.

Les droites (d1)(d_1) et (d2)(d_2) ne sont ni parallèles ni sécantes : donc elles sont non coplanaires.

Question 3.

Le vecteur n⃗(−2  ;  1  ;  5)\vec{n}(-2\;;\;1\;;\;5) est orthogonal à u1⃗\vec{u_1} et à w⃗\vec{w} :

n⃗⋅u1⃗=−2×1+1×2+5×0=0,\vec{n}\cdot\vec{u_1}=-2\times 1+1\times 2+5\times 0=0,
n⃗⋅w⃗=−2×2+1×(−1)+5×1=−4−1+5=0.\vec{n}\cdot\vec{w}=-2\times 2+1\times(-1)+5\times 1=-4-1+5=0.

Les vecteurs u1⃗\vec{u_1} et w⃗\vec{w} dirigent le plan P\mathcal{P} et ne sont pas colinéaires (énoncé). Le vecteur n⃗\vec{n}, non nul, est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de P\mathcal{P} : c'est un vecteur normal à P\mathcal{P}.

Donc P\mathcal{P} admet une équation cartésienne de la forme

−2x+y+5z+d=0,d∈R.-2x+y+5z+d=0,\quad d\in\mathbb{R}.

Le point A(1  ;  2  ;  −1)A(1\;;\;2\;;\;-1) appartient à P\mathcal{P}, donc

−2×1+2+5×(−1)+d=0,soit−5+d=0,doncd=5.-2\times 1+2+5\times(-1)+d=0,\quad\text{soit}\quad -5+d=0,\quad\text{donc}\quad d=5.

Donc une équation cartésienne de P\mathcal{P} est

−2x+y+5z+5=0.-2x+y+5z+5=0.

Question 4. a)

Le vecteur u2⃗(0  ;  1  ;  1)\vec{u_2}(0\;;\;1\;;\;1) dirige (d2)(d_2) et le vecteur n⃗(−2  ;  1  ;  5)\vec{n}(-2\;;\;1\;;\;5) est normal à P\mathcal{P}.

On calcule le produit scalaire :

u2⃗⋅n⃗=0×(−2)+1×1+1×5=6≠0.\vec{u_2}\cdot\vec{n}=0\times(-2)+1\times 1+1\times 5=6\neq 0.

Donc u2⃗\vec{u_2} n'est pas orthogonal à n⃗\vec{n} : la droite (d2)(d_2) n'est pas parallèle au plan P\mathcal{P}.

Donc la droite (d2)(d_2) et le plan P\mathcal{P} sont sécants en un unique point.

Question 4. b)

Les coordonnées du point d'intersection F sont celles d'un point de (d2)(d_2), soit (0  ;  1+t  ;  2+t)(0\;;\;1+t\;;\;2+t) pour un certain réel tt, qui vérifient l'équation de P\mathcal{P} :

−2×0+(1+t)+5(2+t)+5=0.-2\times 0+(1+t)+5(2+t)+5=0.

On développe : 1+t+10+5t+5=01+t+10+5t+5=0, soit 6t+16=06t+16=0, donc t=−166=−83t=-\dfrac{16}6=-\dfrac83.

On reporte dans la représentation paramétrique de (d2)(d_2) :

x=0,y=1−83=−53,z=2−83=−23.x=0,\qquad y=1-\dfrac83=-\dfrac53,\qquad z=2-\dfrac83=-\dfrac23.

Donc le point d'intersection est F(0  ;  −53  ;  −23)\left(0\;;\;-\dfrac53\;;\;-\dfrac23\right).

Question 5. a)

Le point E appartient à (d1)(d_1) (énoncé) et le point F appartient à (d2)(d_2).

La droite (EF) est la droite (δ)(\delta), qui passe par F et a pour vecteur directeur w⃗(2  ;  −1  ;  1)\vec{w}(2\;;\;-1\;;\;1). En effet, E appartient à (δ)(\delta) et E est distinct de F (leurs abscisses sont −23-\dfrac23 et 00).

On calcule les produits scalaires de w⃗\vec{w} avec les vecteurs directeurs de (d1)(d_1) et de (d2)(d_2) :

w⃗⋅u1⃗=2×1+(−1)×2+1×0=0,\vec{w}\cdot\vec{u_1}=2\times 1+(-1)\times 2+1\times 0=0,
w⃗⋅u2⃗=2×0+(−1)×1+1×1=0.\vec{w}\cdot\vec{u_2}=2\times 0+(-1)\times 1+1\times 1=0.

Donc la droite (EF) est orthogonale à (d1)(d_1) et à (d2)(d_2).

Comme E est sur (d1)(d_1), F est sur (d2)(d_2) et (EF) est orthogonale aux deux droites, la définition de l'énoncé s'applique : donc la distance EF est la distance entre les droites (d1)(d_1) et (d2)(d_2).

Question 5. b)

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

EF→(0+23  ;  −53+43  ;  −23+1)=(23  ;  −13  ;  13).\overrightarrow{EF}\left(0+\dfrac23\;;\;-\dfrac53+\dfrac43\;;\;-\dfrac23+1\right)=\left(\dfrac23\;;\;-\dfrac13\;;\;\dfrac13\right).

La base (ı⃗,ȷ⃗,k⃗)(\vec\imath,\vec\jmath,\vec k) est orthonormée, donc

EF=(23)2+(−13)2+(13)2=49+19+19=69=63.EF=\sqrt{\left(\dfrac23\right)^2+\left(-\dfrac13\right)^2+\left(\dfrac13\right)^2}=\sqrt{\dfrac49+\dfrac19+\dfrac19}=\sqrt{\dfrac69}=\dfrac{\sqrt6}{3}.

On a 63≈0,82\dfrac{\sqrt6}{3}\approx 0{,}82.

Donc la distance entre les droites (d1)(d_1) et (d2)(d_2) est 63\dfrac{\sqrt6}{3}, soit environ 0,820{,}82 unité de longueur.

Réponse : EF=63≈0,82EF=\dfrac{\sqrt6}{3}\approx 0{,}82.

Points clés attendus

  • Question 2 : montrer à la fois la non-colinéarité des vecteurs directeurs et l'absence de point commun en résolvant le système.

  • Question 3 : vérifier que n⃗\vec{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan, puis déterminer la constante avec les coordonnées de A.

  • Question 4 : le produit scalaire u2⃗⋅n⃗≠0\vec{u_2}\cdot\vec{n}\neq 0 justifie que la droite et le plan sont sécants   résoudre ensuite pour tt et reporter dans la représentation paramétrique.

  • Question 5 a) : calculer w⃗⋅u1⃗\vec{w}\cdot\vec{u_1} et w⃗⋅u2⃗\vec{w}\cdot\vec{u_2}, puis revenir à la définition de la distance entre deux droites.

  • Question 5 b) : coordonnées de EF→\overrightarrow{EF}, puis norme dans un repère orthonormé.

Corrigé rédigé par + qu'un prof. Cherche d'abord seul, puis compare avec ta propre rédaction.

Comment t'entraîner

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Les autres exercices de ce sujet

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  • Exercice 3 · 4 points · Suites

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Amérique du Sud, 21 novembre 2024 (jour 1)), 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.

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