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

Bac 2024, Asie : exercice 4

11 juin 2024 · jour 2 · 5 points

Dans un repère orthonormé (O ; ı⃗, ȷ⃗, k⃗)\left(\mathrm{O}\,;\,\vec{\imath},\,\vec{\jmath},\,\vec{k}\right) de l'espace, on considère le plan (P)(P) d'équation:

(P):2x+2y−3z+1=0.(P) :\quad 2x + 2y - 3z + 1 = 0.

On considère les trois points A, B et C de coordonnées:

A(1   0   1) , B(2  ;  −1  ;  1)(2\;;\;- 1\;;\;1) et C(−4  ;  −6  ;  5)( - 4\;;\;- 6\;;\;5) .

Le but de cet exercice est d'étudier le rapport des aires entre un triangle et son projeté orthogonal dans un plan.

Partie A

  1. Pour chacun des points A, B et C, vérifier s'il appartient au plan (P)(P).

  2. Montrer que le point C′(0  ;  −2  ;  −1)'(0\;;\;- 2\;;\;- 1) est le projeté orthogonal du point C sur le plan (P)(P).

  3. Déterminer une représentation paramétrique de la droite (AB).

  4. On admet l'existence d'un unique point H vérifiant les deux conditions

    {H∈(AB)(AB) et (HC) sont orthogonales.\left\{\begin{array}{l} \text{H} \in \text{(AB)}\\ \text{(AB) et (HC) sont orthogonales}. \end{array}\right.

    Déterminer les coordonnées du point H.

    Figure de l'énoncé, exercice 4, Asie 11 juin 2024

Partie B

On admet que les coordonnées du vecteur HC→\overrightarrow{\text{HC}} sont : HC→(−112−1124)\overrightarrow{\text{HC}}\begin{pmatrix}- \frac{11}{2}\\[4pt]- \frac{11}{2}\\[4pt]4\end{pmatrix}.

  1. Calculer la valeur exacte de ∥HC→∥\left\|\overrightarrow{\text{HC}}\right\|.

  2. Soit SS l'aire du triangle ABC. Déterminer la valeur exacte de SS.

Partie C

On admet que HC′=172'= \sqrt{\dfrac{17}{2}}.

  1. Soit α=CHC′^\alpha = \widehat{\text{CHC}'}. Déterminer la valeur de cos⁡(α)\cos(\alpha).

    1. Montrer que les droites (C′'H) et (AB) sont perpendiculaires.

    2. Calculer S′S' l'aire du triangle ABC′', on donnera la valeur exacte.

    3. Donner une relation entre S, S′S,\, S' et cos⁡(α)\cos (\alpha).

Voir le corrigé

Partie A

Question 1. Un point appartient à (P)(P) si et seulement si ses coordonnées vérifient 2x+2y−3z+1=02x+2y-3z+1=0.

Pour A(1 ;0 ;1)(1\,;0\,;1) : 2×1+2×0−3×1+1=2−3+1=02\times1+2\times0-3\times1+1=2-3+1=0. Donc A appartient à (P)(P).

Pour B(2 ;−1 ;1)(2\,;-1\,;1) : 2×2+2×(−1)−3×1+1=4−2−3+1=02\times2+2\times(-1)-3\times1+1=4-2-3+1=0. Donc B appartient à (P)(P).

Pour C(−4 ;−6 ;5)(-4\,;-6\,;5) : 2×(−4)+2×(−6)−3×5+1=−8−12−15+1=−34≠02\times(-4)+2\times(-6)-3\times5+1=-8-12-15+1=-34\neq0. Donc C n'appartient pas à (P)(P).

Réponse : A et B appartiennent à (P)(P)   C n'appartient pas à (P)(P).

Question 2. Un vecteur normal à (P)(P) se lit sur son équation : n⃗(2 ;2 ;−3)\vec n(2\,;2\,;-3).

On calcule les coordonnées du vecteur C′C→\overrightarrow{\mathrm{C'C}} :

C′C→(−4−0−6−(−2)5−(−1))=(−4−46)=−2 n⃗.\overrightarrow{\mathrm{C'C}}\begin{pmatrix}-4-0\\-6-(-2)\\5-(-1)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-4\\-4\\6\end{pmatrix}=-2\,\vec n.

Le vecteur C′C→\overrightarrow{\mathrm{C'C}} est colinéaire à n⃗\vec n : la droite (CC′') est orthogonale au plan (P)(P).

Le point C′(0 ;−2 ;−1)'(0\,;-2\,;-1) appartient à (P)(P) :

2×0+2×(−2)−3×(−1)+1=−4+3+1=0.2\times0+2\times(-2)-3\times(-1)+1=-4+3+1=0.

Le projeté orthogonal de C sur (P)(P) est l'unique point de (P)(P) tel que la droite qui le joint à C soit orthogonale à (P)(P).

Donc C′' est le projeté orthogonal de C sur le plan (P)(P).

Question 3. On calcule un vecteur directeur de (AB) :

AB→(2−1−1−01−1)=(1−10).\overrightarrow{\mathrm{AB}}\begin{pmatrix}2-1\\-1-0\\1-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\-1\\0\end{pmatrix}.

La droite (AB) passe par A(1 ;0 ;1)(1\,;0\,;1) et est dirigée par AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}}.

Une représentation paramétrique de (AB) est donc

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

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

Question 4. Le point H appartient à (AB) : il existe un réel tt tel que H(1+t ;−t ;1)(1+t\,;-t\,;1).

On calcule alors

HC→(−4−(1+t)−6−(−t)5−1)=(−5−t−6+t4).\overrightarrow{\mathrm{HC}}\begin{pmatrix}-4-(1+t)\\-6-(-t)\\5-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-5-t\\-6+t\\4\end{pmatrix}.

Les droites (AB) et (HC) sont orthogonales : AB→⋅HC→=0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{HC}}=0.

Donc

1×(−5−t)+(−1)×(−6+t)+0×4=0,1\times(-5-t)+(-1)\times(-6+t)+0\times4=0,
soit −5−t+6−t=0-5-t+6-t=0, c'est-à-dire 1−2t=01-2t=0, donc t=12t=\dfrac12.

On remplace dans la représentation paramétrique : H(32 ;−12 ;1)\left(\dfrac32\,;-\dfrac12\,;1\right).

Vérification avec le vecteur admis en partie B : HC→(−4−32−6+124)=(−112−1124)\overrightarrow{\mathrm{HC}}\begin{pmatrix}-4-\frac32\\-6+\frac12\\4\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-\frac{11}{2}\\-\frac{11}{2}\\4\end{pmatrix}, ce qui est cohérent.

Réponse : H(32 ;−12 ;1)\left(\dfrac32\,;-\dfrac12\,;1\right).

Partie B

Question 1. On a HC→(−112−1124)\overrightarrow{\mathrm{HC}}\begin{pmatrix}-\frac{11}{2}\\-\frac{11}{2}\\4\end{pmatrix} dans un repère orthonormé, donc

∥HC→∥=(−112)2+(−112)2+42=1214+1214+16.\left\|\overrightarrow{\mathrm{HC}}\right\|=\sqrt{\left(-\dfrac{11}{2}\right)^2+\left(-\dfrac{11}{2}\right)^2+4^2}=\sqrt{\dfrac{121}{4}+\dfrac{121}{4}+16}.

On réduit : 1214+1214+16=1212+322=1532\dfrac{121}{4}+\dfrac{121}{4}+16=\dfrac{121}{2}+\dfrac{32}{2}=\dfrac{153}{2}.

Donc

∥HC→∥=1532=3064=3062=3342\left\|\overrightarrow{\mathrm{HC}}\right\|=\sqrt{\dfrac{153}{2}}=\sqrt{\dfrac{306}{4}}=\dfrac{\sqrt{306}}{2}=\dfrac{3\sqrt{34}}{2}
car 306=9×34306=9\times34.

Réponse : ∥HC→∥=3342\left\|\overrightarrow{\mathrm{HC}}\right\|=\dfrac{3\sqrt{34}}{2}.

Question 2. Le point H appartient à (AB) et les droites (AB) et (HC) sont orthogonales : le segment [HC] est la hauteur du triangle ABC issue de C.

On a AB=∥AB→∥=12+(−1)2+02=2\mathrm{AB}=\left\|\overrightarrow{\mathrm{AB}}\right\|=\sqrt{1^2+(-1)^2+0^2}=\sqrt2.

L'aire du triangle est la moitié du produit d'une base par la hauteur associée :

S=12×AB×HC=12×2×3342=3684.S=\dfrac12\times\mathrm{AB}\times\mathrm{HC}=\dfrac12\times\sqrt2\times\dfrac{3\sqrt{34}}{2}=\dfrac{3\sqrt{68}}{4}.

Comme 68=4×1768=4\times17, on a 68=217\sqrt{68}=2\sqrt{17}, donc

S=3×2174=3172.S=\dfrac{3\times2\sqrt{17}}{4}=\dfrac{3\sqrt{17}}{2}.

Donc l'aire du triangle ABC est 3172\dfrac{3\sqrt{17}}{2}.

Réponse : S=3172S=\dfrac{3\sqrt{17}}{2}.

Partie C

Question 1. Le point C′' est le projeté orthogonal de C sur (P)(P) et H appartient à (P)(P) (H est sur (AB), contenue dans (P)(P) car A et B sont dans (P)(P)).

La droite (CC′') est donc orthogonale à (P)(P), en particulier à la droite (C′'H) contenue dans (P)(P) : le triangle CC′'H est rectangle en C′'.

Dans ce triangle, l'angle α=CHC′^\alpha=\widehat{\mathrm{CHC'}} a pour côté adjacent HC′' et pour hypoténuse HC. Donc

cos⁡(α)=HC′HC.\cos(\alpha)=\dfrac{\mathrm{HC'}}{\mathrm{HC}}.

On a HC′=172=342\mathrm{HC'}=\sqrt{\dfrac{17}{2}}=\dfrac{\sqrt{34}}{2} (car 172=344\sqrt{\dfrac{17}{2}}=\dfrac{\sqrt{34}}{\sqrt4}) et HC=3342\mathrm{HC}=\dfrac{3\sqrt{34}}{2}.

Donc

cos⁡(α)=3423342=13.\cos(\alpha)=\dfrac{\frac{\sqrt{34}}{2}}{\frac{3\sqrt{34}}{2}}=\dfrac13.

Réponse : cos⁡(α)=13\cos(\alpha)=\dfrac13.

Question 2. a) On calcule les coordonnées de C′H→\overrightarrow{\mathrm{C'H}} :

C′H→(32−0−12−(−2)1−(−1))=(32322).\overrightarrow{\mathrm{C'H}}\begin{pmatrix}\frac32-0\\-\frac12-(-2)\\1-(-1)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}\frac32\\\frac32\\2\end{pmatrix}.

Alors

C′H→⋅AB→=32×1+32×(−1)+2×0=0.\overrightarrow{\mathrm{C'H}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\dfrac32\times1+\dfrac32\times(-1)+2\times0=0.

Les droites (C′'H) et (AB) sont orthogonales. Elles sont de plus sécantes en H, qui appartient aux deux droites.

Donc les droites (C′'H) et (AB) sont perpendiculaires.

b) H appartient à (AB) et (C′'H) est perpendiculaire à (AB) : [C′'H] est la hauteur du triangle ABC′' issue de C′'.

On a C′H=HC′=172\mathrm{C'H}=\mathrm{HC'}=\sqrt{\dfrac{17}{2}} et AB=2\mathrm{AB}=\sqrt2, donc

S′=12×AB×C′H=12×2×172=1217=172.S'=\dfrac12\times\mathrm{AB}\times\mathrm{C'H}=\dfrac12\times\sqrt2\times\sqrt{\dfrac{17}{2}}=\dfrac12\sqrt{17}=\dfrac{\sqrt{17}}{2}.

Donc l'aire du triangle ABC′' est 172\dfrac{\sqrt{17}}{2}.

Réponse : S′=172S'=\dfrac{\sqrt{17}}{2}.

c) On a S=3172S=\dfrac{3\sqrt{17}}{2} et S′=172S'=\dfrac{\sqrt{17}}{2}, donc S′=13SS'=\dfrac13S.

Or cos⁡(α)=13\cos(\alpha)=\dfrac13 (question C.1).

Donc S′=Scos⁡(α)S'=S\cos(\alpha) : l'aire du projeté orthogonal du triangle ABC sur (P)(P) est égale à l'aire de ABC multipliée par cos⁡(α)\cos(\alpha).

Réponse : S′=Scos⁡(α)S'=S\cos(\alpha).

Points clés attendus

  • Pour le projeté orthogonal : montrer à la fois que C′' appartient à (P)(P) et que C′C→\overrightarrow{\mathrm{C'C}} est colinéaire au vecteur normal.

  • Traduire l'orthogonalité de (AB) et (HC) par un produit scalaire nul pour déterminer le paramètre tt.

  • Identifier [HC] comme hauteur de ABC et [C′'H] comme hauteur de ABC′' pour utiliser 12×base×hauteur\dfrac12\times\text{base}\times\text{hauteur}.

  • Justifier que le triangle CC′'H est rectangle en C′' avant d'écrire le cosinus.

  • Simplifier correctement les radicaux (68=217\sqrt{68}=2\sqrt{17}, 172=342\sqrt{\tfrac{17}{2}}=\tfrac{\sqrt{34}}{2}).

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Asie, 11 juin 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.

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