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

Bac 2024, Asie : exercice 2

10 juin 2024 · jour 1 · 5 points

Dans l'espace muni d'un repère orthonormé (O ; ı⃗, ȷ⃗, k⃗)\left(\mathrm{O}\,;\,\vec{\imath},\,\vec{\jmath},\,\vec{k}\right) d'unité 1 cm, on considère les points : A(3  ;  −1  ;  1)(3\;;\;-1\;;\;1)   B(4  ;  −1  ;  0)(4\;;\;-1\;;\;0)   C(0  ;  3  ;  2)(0 \;;\;3\;;\;2)   D(4  ;  3  ;  −2)(4\;;\;3\;;\;-2) et S(2  ;  1  ;  4)(2\;;\;1\;;\;4).

Dans cet exercice on souhaite montrer que SABDC est une pyramide à base ABDC trapézoïdale de sommet S, afin de calculer son volume.

Figure de l'énoncé, exercice 2, Asie 10 juin 2024
  1. Montrer que les points A, B et C ne sont pas alignés.

    1. Montrer que les points A, B, C et D sont coplanaires.

    2. Montrer que le quadrilatère ABDC est un trapèze de bases [AB] et [CD].

      On rappelle qu'un trapèze est un quadrilatère ayant deux côtés opposés parallèles appelés bases.

    1. Démontrer que le vecteur n→(2  ;  1  ;  2)\overrightarrow{n}(2\;;\;1\;;\;2) est un vecteur normal au plan (ABC).

    2. En déduire une équation cartésienne du plan (ABC).

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

    4. On note I le point d'intersection de la droite Δ\Delta et du plan (ABC).

      Montrer que le point I a pour coordonnées (23  ;  13  ;  83  )\left(\dfrac23\;;\;\dfrac13\;;\;\dfrac83\;\right), puis montrer que SI=2 cm\mathrm{SI} = 2 cm.

    1. Vérifier que le projeté orthogonal H du point B sur la droite (CD) a pour coordonnées H(3  ;  3  ;  −1)(3\;;\;3\;;\;-1) et montrer que HB =32= 3\sqrt 2 cm.

    2. Calculer la valeur exacte de l'aire du trapèze ABDC.

      On rappelle que l'aire d'un trapèze est donnée par la formule

      A=b+B2×h\mathcal{A} = \dfrac{b + B}{2} \times h

      où bb et BB sont les longueurs des bases du trapèze et hh sa hauteur.

  2. Déterminer le volume de la pyramide SABDC.

    On rappelle que le volume VV d'une pyramide est donné par la formule

    V=13×V = \dfrac13 \times aire de la base ×\times hauteur

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Question 1. On calcule les coordonnées des vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} :

AB→=(4−3 ;−1−(−1) ;0−1)=(1 ;0 ;−1),AC→=(0−3 ;3−(−1) ;2−1)=(−3 ;4 ;1).\overrightarrow{AB}=(4-3\,;-1-(-1)\,;0-1)=(1\,;0\,;-1),\qquad \overrightarrow{AC}=(0-3\,;3-(-1)\,;2-1)=(-3\,;4\,;1).

Ces vecteurs ne sont pas colinéaires : l'ordonnée de AB→\overrightarrow{AB} est nulle alors que celle de AC→\overrightarrow{AC} est égale à 44. S'il existait un réel kk tel que AC→=k AB→\overrightarrow{AC}=k\,\overrightarrow{AB}, on aurait 4=k×0=04=k\times0=0, ce qui est impossible.

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

Question 2. a) Les points A, B et C ne sont pas alignés, ils définissent donc un plan (ABC). Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} forment une base de ce plan.

On a AD→=(4−3 ;3−(−1) ;−2−1)=(1 ;4 ;−3)\overrightarrow{AD}=(4-3\,;3-(-1)\,;-2-1)=(1\,;4\,;-3).

On cherche deux réels aa et bb tels que AD→=a AB→+b AC→\overrightarrow{AD}=a\,\overrightarrow{AB}+b\,\overrightarrow{AC}, c'est-à-dire

{a−3b=14b=4−a+b=−3.\begin{cases} a-3b=1\\ 4b=4\\ -a+b=-3.\end{cases}

La deuxième équation donne b=1b=1. La première donne alors a=1+3b=4a=1+3b=4. La troisième est vérifiée : −4+1=−3-4+1=-3.

On a donc AD→=4 AB→+AC→\overrightarrow{AD}=4\,\overrightarrow{AB}+\overrightarrow{AC}. Le vecteur AD→\overrightarrow{AD} est combinaison linéaire de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC}.

Donc les points A, B, C et D sont coplanaires.

Question 2. b) On a CD→=(4−0 ;3−3 ;−2−2)=(4 ;0 ;−4)\overrightarrow{CD}=(4-0\,;3-3\,;-2-2)=(4\,;0\,;-4), et 4 AB→=(4 ;0 ;−4)4\,\overrightarrow{AB}=(4\,;0\,;-4). Donc

CD→=4 AB→.\overrightarrow{CD}=4\,\overrightarrow{AB}.

Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et CD→\overrightarrow{CD} sont colinéaires : les droites (AB)(AB) et (CD)(CD) sont parallèles. Elles ne sont pas confondues, car C n'appartient pas à la droite (AB)(AB) (les points A, B et C ne sont pas alignés).

Le quadrilatère ABDC est plan (question 2. a)) et ses côtés opposés [AB][AB] et [CD][CD] sont parallèles.

Donc ABDC est un trapèze de bases [AB][AB] et [CD][CD].

Question 3. a) Les vecteurs AB→(1 ;0 ;−1)\overrightarrow{AB}(1\,;0\,;-1) et AC→(−3 ;4 ;1)\overrightarrow{AC}(-3\,;4\,;1) sont non colinéaires (question 1). On calcule les produits scalaires avec n⃗(2 ;1 ;2)\vec{n}(2\,;1\,;2) :

n⃗⋅AB→=2×1+1×0+2×(−1)=2+0−2=0,n⃗⋅AC→=2×(−3)+1×4+2×1=−6+4+2=0.\begin{aligned} \vec{n}\cdot\overrightarrow{AB}&=2\times1+1\times0+2\times(-1)=2+0-2=0,\\ \vec{n}\cdot\overrightarrow{AC}&=2\times(-3)+1\times4+2\times1=-6+4+2=0. \end{aligned}

Le vecteur n⃗\vec{n} est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC).

Donc n⃗(2 ;1 ;2)\vec{n}(2\,;1\,;2) est un vecteur normal au plan (ABC).

Question 3. b) Le vecteur n⃗(2 ;1 ;2)\vec{n}(2\,;1\,;2) est normal à (ABC), donc le plan (ABC) admet une équation cartésienne de la forme 2x+y+2z+d=02x+y+2z+d=0, où dd est un réel.

Le point A(3 ;−1 ;1)A(3\,;-1\,;1) appartient au plan, donc 2×3+(−1)+2×1+d=02\times3+(-1)+2\times1+d=0, soit 7+d=07+d=0 et d=−7d=-7.

Vérification avec les autres points : pour B, 2×4−1+0−7=02\times4-1+0-7=0   pour C, 0+3+2×2−7=00+3+2\times2-7=0.

Donc une équation cartésienne du plan (ABC) est

2x+y+2z−7=0.2x+y+2z-7=0.

Réponse : 2x+y+2z−7=02x+y+2z-7=0.

Question 3. c) La droite Δ\Delta est orthogonale au plan (ABC), donc le vecteur normal n⃗(2 ;1 ;2)\vec{n}(2\,;1\,;2) est un vecteur directeur de Δ\Delta. Elle passe par S(2 ;1 ;4)(2\,;1\,;4).

Une représentation paramétrique de Δ\Delta est donc

{x=2+2ty=1+tz=4+2tt∈R.\begin{cases} x=2+2t\\ y=1+t\\ z=4+2t\end{cases}\qquad t\in\mathbb{R}.

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

Question 3. d) Le point I est le point commun à Δ\Delta et au plan (ABC) : ses coordonnées vérifient à la fois la représentation paramétrique de Δ\Delta et l'équation du plan. On remplace :

2(2+2t)+(1+t)+2(4+2t)−7=04+4t+1+t+8+4t−7=09t+6=0.\begin{aligned} 2(2+2t)+(1+t)+2(4+2t)-7&=0\\ 4+4t+1+t+8+4t-7&=0\\ 9t+6&=0. \end{aligned}

Donc t=−23t=-\dfrac23.

On obtient les coordonnées de I :

x=2+2×(−23)=23,y=1−23=13,z=4+2×(−23)=83.x=2+2\times\left(-\dfrac23\right)=\dfrac23,\qquad y=1-\dfrac23=\dfrac13,\qquad z=4+2\times\left(-\dfrac23\right)=\dfrac83.

Donc I(23 ;13 ;83)\mathrm{I}\left(\dfrac23\,;\dfrac13\,;\dfrac83\right).

On calcule ensuite la distance SI. On a SI→=(23−2 ;13−1 ;83−4)=(−43 ;−23 ;−43)\overrightarrow{SI}=\left(\dfrac23-2\,;\dfrac13-1\,;\dfrac83-4\right)=\left(-\dfrac43\,;-\dfrac23\,;-\dfrac43\right), donc

SI=169+49+169=369=4=2.SI=\sqrt{\dfrac{16}{9}+\dfrac{4}{9}+\dfrac{16}{9}}=\sqrt{\dfrac{36}{9}}=\sqrt4=2.

Donc SI =2=2 cm.

Question 4. a) On vérifie que H(3 ;3 ;−1)(3\,;3\,;-1) est le projeté orthogonal de B sur la droite (CD). Il faut montrer que H appartient à (CD) et que BH→\overrightarrow{BH} est orthogonal à CD→\overrightarrow{CD}.

H appartient à (CD). On a CH→=(3−0 ;3−3 ;−1−2)=(3 ;0 ;−3)\overrightarrow{CH}=(3-0\,;3-3\,;-1-2)=(3\,;0\,;-3) et CD→=(4 ;0 ;−4)\overrightarrow{CD}=(4\,;0\,;-4). Donc CH→=34 CD→\overrightarrow{CH}=\dfrac34\,\overrightarrow{CD} : les vecteurs sont colinéaires et H est sur la droite (CD).

BH→\overrightarrow{BH} est orthogonal à CD→\overrightarrow{CD}. On a BH→=(3−4 ;3−(−1) ;−1−0)=(−1 ;4 ;−1)\overrightarrow{BH}=(3-4\,;3-(-1)\,;-1-0)=(-1\,;4\,;-1), donc

BH→⋅CD→=(−1)×4+4×0+(−1)×(−4)=−4+0+4=0.\overrightarrow{BH}\cdot\overrightarrow{CD}=(-1)\times4+4\times0+(-1)\times(-4)=-4+0+4=0.

Donc H est bien le projeté orthogonal de B sur la droite (CD).

On calcule alors

HB=(−1)2+42+(−1)2=18=32.HB=\sqrt{(-1)^2+4^2+(-1)^2}=\sqrt{18}=3\sqrt2.

Donc HB =32=3\sqrt2 cm.

Question 4. b) Les bases du trapèze ABDC sont [AB][AB] et [CD][CD] :

AB=12+02+(−1)2=2,CD=42+02+(−4)2=32=42.AB=\sqrt{1^2+0^2+(-1)^2}=\sqrt2,\qquad CD=\sqrt{4^2+0^2+(-4)^2}=\sqrt{32}=4\sqrt2.

Les droites (AB) et (CD) sont parallèles et (HB) est perpendiculaire à (CD) avec H sur (CD) et B sur (AB) : la hauteur du trapèze est donc h=HB=32h=HB=3\sqrt2.

D'après la formule de l'aire d'un trapèze :

A=b+B2×h=2+422×32=522×32=15×22=15.\mathcal{A}=\dfrac{b+B}{2}\times h=\dfrac{\sqrt2+4\sqrt2}{2}\times3\sqrt2=\dfrac{5\sqrt2}{2}\times3\sqrt2=\dfrac{15\times2}{2}=15.

Donc l'aire du trapèze ABDC est 1515 cm2^2.

Réponse : A=15\mathcal{A}=15 cm2^2.

Question 5. La base de la pyramide SABDC est le trapèze ABDC, contenu dans le plan (ABC).

Le point S n'appartient pas à ce plan : 2×2+1+2×4−7=6≠02\times2+1+2\times4-7=6\neq0.

La droite Δ\Delta passe par S et est orthogonale au plan (ABC), et elle coupe ce plan en I : I est le projeté orthogonal de S sur (ABC). La hauteur de la pyramide est donc SI=2SI=2 cm.

D'après la formule du volume d'une pyramide :

V=13×aire de la base×hauteur=13×15×2=10.V=\dfrac13\times\text{aire de la base}\times\text{hauteur}=\dfrac13\times15\times2=10.

Donc le volume de la pyramide SABDC est 1010 cm3^3.

Réponse : V=10V=10 cm3^3.

Points clés attendus

  • Justifier la non-colinéarité de deux vecteurs par une coordonnée, et non par une simple affirmation.

  • Coplanarité : exprimer AD→\overrightarrow{AD} comme combinaison linéaire de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} en résolvant le système complet. Trapèze : CD→=4 AB→\overrightarrow{CD}=4\,\overrightarrow{AB}.

  • Vecteur normal : deux produits scalaires nuls avec deux vecteurs non colinéaires du plan, puis équation cartésienne et vérification avec un point du plan.

  • Intersection droite-plan : substituer la représentation paramétrique dans l'équation du plan, puis calculer la distance SI.

  • Projeté orthogonal : vérifier à la fois l'appartenance à la droite et l'orthogonalité.

  • Aire et volume : citer les formules, et identifier la hauteur de la pyramide comme la distance SI de S au plan de la base.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Asie, 10 juin 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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