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

Bac 2024, Métropole : exercice 1

11 septembre 2024 · 6 points

On considère un cube ABCDEFGH de côté 1.

Figure de l'énoncé, exercice 1, Métropole 11 septembre 2024

Le point I est le milieu du segment [BD]. On définit le point L tel que IL→=34IG→\overrightarrow{\text{IL}}= \dfrac34\overrightarrow{\text{IG}}.

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

    1. Préciser les coordonnées des points D, B, I et G.

      Aucune justification n'est attendue.

    2. Montrer que le point L a pour coordonnées (78  ;  78  ;  34)\left(\dfrac78\;;\;\dfrac78\;;\;\dfrac34\right).

  1. Vérifier qu'une équation cartésienne du plan (BDG) est x+y−z−1=0x + y - z - 1 = 0.

  2. On considère la droite Δ\Delta perpendiculaire au plan (BDG) passant par L.

    1. Justifier qu'une représentation paramétrique de la droite Δ\Delta est :

      {x=78+ty=78+tz=34−t ouˋ t∈R.\left\{\begin{array}{l c l}x&=&\dfrac78 + t \\ y &=& \dfrac78+t \\ z&=&\dfrac34 -t \end{array}\right. \text{ où } t \in \mathbb{R}.

    2. Montrer que les droites Δ\Delta et (AE) sont sécantes au point K de coordonnées (0  ;  0  ;  138)\left(0\;;\;0\;;\;\dfrac{13}{8}\right).

    3. Que représente le point L pour le point K ? Justifier la réponse.

    1. Calculer la distance KL.

    2. On admet que le triangle DBG est équilatéral.

      Montrer que son aire est égale à 32\dfrac{\sqrt{3}}{2}.

    3. En déduire le volume du tétraèdre KDBG.

      • le volume d'une pyramide est donné par la formule V=13×B×h\mathcal{V} = \dfrac13 \times \mathcal{B} \times h où B\mathcal{B} est l'aire d'une base et hh la longueur de la hauteur relative a cette base

      • un tétraèdre est une pyramide à base triangulaire.

  3. On désigne par aa un réel appartenant à l'intervalle ]0  ;  +∞[]0\;;\;+\infty[ et on note KaK_a le point de coordonnées (0  ;  0  ;  a)(0\;;\;0\;;\;a).

    1. Exprimer le volume Va\mathcal{V}_a de la pyramide ABCDKaK_a en fonction de aa.

    2. On note Δa\Delta_a la droite de représentation paramétrique

      {x=−t′y=−t′z=−t′+a ouˋ t′∈R.\left\{\begin{array}{l c l}x&=&\phantom{-}t' \\ y &=&\phantom{-}t' \\ z&=&- t' + a \end{array}\right. \text{ où } t' \in \mathbb{R}.

      On appelle LaL_a le point d'intersection de la droite Δa\Delta_a avec le plan (BDG).

      Montrer que les coordonnées du point LaL_a sont (a+13  ;  a+13  ;  2a−13)\left(\dfrac{a+1}{3}\;;\;\dfrac{a+1}{3}\;;\;\dfrac{2a-1}{3}\right).

    3. Déterminer, s'il existe, un réel strictement positif aa tel que le tétraèdre GDBKaK_a et la pyramide ABCDKaK_a sont de même volume.

Voir le corrigé

On se place dans le repère orthonormé (A  ;  AB→,AD→,AE→)\left(\mathrm{A}\;;\;\overrightarrow{\mathrm{AB}},\overrightarrow{\mathrm{AD}},\overrightarrow{\mathrm{AE}}\right) : le cube ABCDEFGH de côté 11 a pour sommets A(0  ;  0  ;  0)(0\;;\;0\;;\;0), B(1  ;  0  ;  0)(1\;;\;0\;;\;0), D(0  ;  1  ;  0)(0\;;\;1\;;\;0), E(0  ;  0  ;  1)(0\;;\;0\;;\;1), et donc C(1  ;  1  ;  0)(1\;;\;1\;;\;0), F(1  ;  0  ;  1)(1\;;\;0\;;\;1), G(1  ;  1  ;  1)(1\;;\;1\;;\;1), H(0  ;  1  ;  1)(0\;;\;1\;;\;1).

Question 1. a)

D(0  ;  1  ;  0)(0\;;\;1\;;\;0), B(1  ;  0  ;  0)(1\;;\;0\;;\;0) et G(1  ;  1  ;  1)(1\;;\;1\;;\;1).

Le point I est le milieu du segment [BD][\mathrm{BD}] : ses coordonnées sont les moyennes de celles de B et de D.

I(1+02  ;  0+12  ;  0+02)=I(12  ;  12  ;  0).\mathrm{I}\left(\dfrac{1+0}{2}\;;\;\dfrac{0+1}{2}\;;\;\dfrac{0+0}{2}\right)=\mathrm{I}\left(\dfrac12\;;\;\dfrac12\;;\;0\right).

Réponse : D(0  ;  1  ;  0)(0\;;\;1\;;\;0), B(1  ;  0  ;  0)(1\;;\;0\;;\;0), I(12  ;  12  ;  0)\left(\dfrac12\;;\;\dfrac12\;;\;0\right), G(1  ;  1  ;  1)(1\;;\;1\;;\;1).

1. b)

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

IG→(1−12  ;  1−12  ;  1−0)=(12  ;  12  ;  1).\overrightarrow{\mathrm{IG}}\left(1-\dfrac12\;;\;1-\dfrac12\;;\;1-0\right)=\left(\dfrac12\;;\;\dfrac12\;;\;1\right).

Notons (x  ;  y  ;  z)(x\;;\;y\;;\;z) les coordonnées de L. On a

IL→(x−12  ;  y−12  ;  z−0).\overrightarrow{\mathrm{IL}}\left(x-\dfrac12\;;\;y-\dfrac12\;;\;z-0\right).

L'égalité IL→=34IG→\overrightarrow{\mathrm{IL}}=\dfrac34\overrightarrow{\mathrm{IG}} équivaut à l'égalité des coordonnées :

x−12=34×12=38,y−12=34×12=38,z=34×1=34.x-\dfrac12=\dfrac34\times\dfrac12=\dfrac38,\qquad y-\dfrac12=\dfrac34\times\dfrac12=\dfrac38,\qquad z=\dfrac34\times1=\dfrac34.

On en déduit

x=12+38=48+38=78,y=78,z=34.x=\dfrac12+\dfrac38=\dfrac48+\dfrac38=\dfrac78,\qquad y=\dfrac78,\qquad z=\dfrac34.

Donc le point L a pour coordonnées (78  ;  78  ;  34)\left(\dfrac78\;;\;\dfrac78\;;\;\dfrac34\right).

Question 2.

On vérifie que les trois points B, D et G vérifient l'équation x+y−z−1=0x+y-z-1=0 :

B(1  ;  0  ;  0):1+0−0−1=0,D(0  ;  1  ;  0):0+1−0−1=0,G(1  ;  1  ;  1):1+1−1−1=0.\begin{aligned} \mathrm{B}(1\;;\;0\;;\;0) &: \quad 1+0-0-1=0,\\ \mathrm{D}(0\;;\;1\;;\;0) &: \quad 0+1-0-1=0,\\ \mathrm{G}(1\;;\;1\;;\;1) &: \quad 1+1-1-1=0. \end{aligned}

On a BD→(−1  ;  1  ;  0)\overrightarrow{\mathrm{BD}}(-1\;;\;1\;;\;0) et BG→(0  ;  1  ;  1)\overrightarrow{\mathrm{BG}}(0\;;\;1\;;\;1). Ces vecteurs ne sont pas colinéaires : si BD→=kBG→\overrightarrow{\mathrm{BD}}=k\overrightarrow{\mathrm{BG}}, la première coordonnée donnerait −1=k×0=0-1=k\times0=0, ce qui est impossible. Donc B, D, G ne sont pas alignés et définissent un unique plan.

L'équation x+y−z−1=0x+y-z-1=0 est celle d'un plan, puisque le vecteur (1  ;  1  ;  −1)(1\;;\;1\;;\;-1) de ses coefficients n'est pas nul. Ce plan contient B, D et G.

Donc une équation cartésienne du plan (BDG)(\mathrm{BDG}) est x+y−z−1=0x+y-z-1=0.

Question 3. a)

Le plan (BDG)(\mathrm{BDG}) a pour équation cartésienne x+y−z−1=0x+y-z-1=0 : le vecteur n⃗(1  ;  1  ;  −1)\vec{n}(1\;;\;1\;;\;-1) dont les coordonnées sont les coefficients de xx, yy, zz est un vecteur normal à ce plan.

La droite Δ\Delta est perpendiculaire au plan (BDG)(\mathrm{BDG}) : elle est donc dirigée par n⃗\vec{n}. Elle passe par L(78  ;  78  ;  34)\mathrm{L}\left(\dfrac78\;;\;\dfrac78\;;\;\dfrac34\right).

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

{x=78+ty=78+tz=34−tt∈R.\left\{\begin{array}{l}x=\dfrac78+t\\ y=\dfrac78+t\\ z=\dfrac34-t\end{array}\right.\qquad t\in\mathbb{R}.

Donc c'est bien une représentation paramétrique de la droite Δ\Delta.

3. b)

La droite (AE)(\mathrm{AE}) est l'axe des cotes : un point de (AE)(\mathrm{AE}) a pour coordonnées (0  ;  0  ;  z)(0\;;\;0\;;\;z) avec z∈Rz\in\mathbb{R}.

Un point de Δ\Delta de paramètre tt appartient à (AE)(\mathrm{AE}) si et seulement si

78+t=0et78+t=0.\dfrac78+t=0\qquad\text{et}\qquad\dfrac78+t=0.

Ces deux conditions sont identiques : elles équivalent à t=−78t=-\dfrac78.

Pour cette valeur de tt, la cote vaut

z=34−t=34+78=68+78=138.z=\dfrac34-t=\dfrac34+\dfrac78=\dfrac68+\dfrac78=\dfrac{13}{8}.

Le système admet une unique solution : les droites Δ\Delta et (AE)(\mathrm{AE}) ont un unique point commun, de coordonnées (0  ;  0  ;  138)\left(0\;;\;0\;;\;\dfrac{13}{8}\right).

Donc les droites Δ\Delta et (AE)(\mathrm{AE}) sont sécantes au point K(0  ;  0  ;  138)\mathrm{K}\left(0\;;\;0\;;\;\dfrac{13}{8}\right).

3. c)

Le point L appartient au plan (BDG)(\mathrm{BDG}) : en effet

78+78−34−1=7+7−6−88=0.\dfrac78+\dfrac78-\dfrac34-1=\dfrac{7+7-6-8}{8}=0.

Le point K appartient à la droite Δ\Delta, qui est perpendiculaire au plan (BDG)(\mathrm{BDG}) et le coupe en L.

Donc L est le projeté orthogonal du point K sur le plan (BDG)(\mathrm{BDG}).

Question 4. a)

On calcule les coordonnées de KL→\overrightarrow{\mathrm{KL}} :

KL→(78−0  ;  78−0  ;  34−138)=(78  ;  78  ;  −78).\overrightarrow{\mathrm{KL}}\left(\dfrac78-0\;;\;\dfrac78-0\;;\;\dfrac34-\dfrac{13}{8}\right)=\left(\dfrac78\;;\;\dfrac78\;;\;-\dfrac78\right).

Le repère étant orthonormé,

KL=(78)2+(78)2+(−78)2=3×4964=738.\mathrm{KL}=\sqrt{\left(\dfrac78\right)^2+\left(\dfrac78\right)^2+\left(-\dfrac78\right)^2}=\sqrt{3\times\dfrac{49}{64}}=\dfrac{7\sqrt3}{8}.

Donc la distance KL est égale à 738\dfrac{7\sqrt3}{8}.

Réponse : KL=738\mathrm{KL}=\dfrac{7\sqrt3}{8}.

4. b)

Le triangle DBG est équilatéral. Son côté mesure

BD=(0−1)2+(1−0)2+(0−0)2=2.\mathrm{BD}=\sqrt{(0-1)^2+(1-0)^2+(0-0)^2}=\sqrt2.

Sa hauteur est celle d'un triangle équilatéral de côté 2\sqrt2 : elle vaut 32×2=62\dfrac{\sqrt3}{2}\times\sqrt2=\dfrac{\sqrt6}{2}.

L'aire du triangle est le demi-produit de la base par la hauteur :

ADBG=12×2×62=124=234=32.\mathcal{A}_{\mathrm{DBG}}=\dfrac12\times\sqrt2\times\dfrac{\sqrt6}{2}=\dfrac{\sqrt{12}}{4}=\dfrac{2\sqrt3}{4}=\dfrac{\sqrt3}{2}.

Donc l'aire du triangle DBG est égale à 32\dfrac{\sqrt3}{2}.

4. c)

On prend pour base du tétraèdre KDBG le triangle DBG, situé dans le plan (BDG)(\mathrm{BDG}).

La hauteur relative à cette base est la distance de K au plan (BDG)(\mathrm{BDG}). Comme L est le projeté orthogonal de K sur ce plan (question 3. c)), cette hauteur est h=KL=738h=\mathrm{KL}=\dfrac{7\sqrt3}{8}.

D'après la formule V=13×B×h\mathcal{V}=\dfrac13\times\mathcal{B}\times h :

VKDBG=13×32×738=13×7×316=13×2116=716.\mathcal{V}_{\mathrm{KDBG}}=\dfrac13\times\dfrac{\sqrt3}{2}\times\dfrac{7\sqrt3}{8}=\dfrac13\times\dfrac{7\times3}{16}=\dfrac13\times\dfrac{21}{16}=\dfrac{7}{16}.

Donc le volume du tétraèdre KDBG est 716\dfrac{7}{16} (unité de volume).

Réponse : VKDBG=716\mathcal{V}_{\mathrm{KDBG}}=\dfrac{7}{16}.

Question 5. a)

La pyramide ABCDKa\mathrm{ABCDK}_a a pour base le carré ABCD, de côté 11, donc d'aire B=1\mathcal{B}=1.

Le point Ka(0  ;  0  ;  a)\mathrm{K}_a(0\;;\;0\;;\;a) appartient à la droite (AE)(\mathrm{AE}), qui est perpendiculaire au plan (ABC)(\mathrm{ABC}) (le repère est orthonormé : AE→\overrightarrow{\mathrm{AE}} est orthogonal à AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}} et à AD→\overrightarrow{\mathrm{AD}}). La hauteur relative à la base ABCD est donc h=AKa=ah=\mathrm{AK}_a=a (avec a>0a>0).

D'où

Va=13×1×a=a3.\mathcal{V}_a=\dfrac13\times1\times a=\dfrac a3.

Donc le volume de la pyramide ABCDKa\mathrm{ABCDK}_a est Va=a3\mathcal{V}_a=\dfrac a3.

Réponse : Va=a3\mathcal{V}_a=\dfrac a3.

5. b)

Le point La\mathrm{L}_a appartient à la fois à Δa\Delta_a et au plan (BDG)(\mathrm{BDG}). Un point de Δa\Delta_a de paramètre t′t' a pour coordonnées (t′  ;  t′  ;  −t′+a)(t'\;;\;t'\;;\;-t'+a).

Il appartient au plan d'équation x+y−z−1=0x+y-z-1=0 si et seulement si

t′+t′−(−t′+a)−1=0,t'+t'-(-t'+a)-1=0,
soit
3t′−a−1=0,c’est-aˋ-diret′=a+13.3t'-a-1=0,\qquad\text{c'est-à-dire}\qquad t'=\dfrac{a+1}{3}.

Cette valeur est unique : la droite Δa\Delta_a et le plan se coupent en un seul point. Ses coordonnées sont

x=y=a+13,z=−a+13+a=−a−1+3a3=2a−13.x=y=\dfrac{a+1}{3},\qquad z=-\dfrac{a+1}{3}+a=\dfrac{-a-1+3a}{3}=\dfrac{2a-1}{3}.

Donc La(a+13  ;  a+13  ;  2a−13)\mathrm{L}_a\left(\dfrac{a+1}{3}\;;\;\dfrac{a+1}{3}\;;\;\dfrac{2a-1}{3}\right).

5. c)

La droite Δa\Delta_a est dirigée par le vecteur (1  ;  1  ;  −1)=n⃗(1\;;\;1\;;\;-1)=\vec{n}, normal au plan (BDG)(\mathrm{BDG}). Elle est donc perpendiculaire à ce plan, et La\mathrm{L}_a est le projeté orthogonal de Ka\mathrm{K}_a sur (BDG)(\mathrm{BDG}).

La hauteur du tétraèdre GDBKa\mathrm{GDBK}_a relative à la base DBG est donc KaLa\mathrm{K}_a\mathrm{L}_a. On a

KaLa→(a+13  ;  a+13  ;  2a−13−a)=(a+13  ;  a+13  ;  −a+13),\overrightarrow{\mathrm{K}_a\mathrm{L}_a}\left(\dfrac{a+1}{3}\;;\;\dfrac{a+1}{3}\;;\;\dfrac{2a-1}{3}-a\right)=\left(\dfrac{a+1}{3}\;;\;\dfrac{a+1}{3}\;;\;-\dfrac{a+1}{3}\right),
donc, comme a+1>0a+1>0,
KaLa=3×(a+1)29=3 (a+1)3=a+13.\mathrm{K}_a\mathrm{L}_a=\sqrt{3\times\dfrac{(a+1)^2}{9}}=\dfrac{\sqrt3\,(a+1)}{3}=\dfrac{a+1}{\sqrt3}.

Le volume du tétraèdre est alors

VGDBKa=13×32×a+13=a+16.\mathcal{V}_{\mathrm{GDBK}_a}=\dfrac13\times\dfrac{\sqrt3}{2}\times\dfrac{a+1}{\sqrt3}=\dfrac{a+1}{6}.

Pour a=138a=\dfrac{13}{8}, on retrouve 218×6=716\dfrac{21}{8\times6}=\dfrac{7}{16}, valeur de la question 4. c).

Les deux volumes sont égaux si et seulement si

a+16=a3  ⟺  a+1=2a  ⟺  a=1.\dfrac{a+1}{6}=\dfrac a3\iff a+1=2a\iff a=1.

Cette valeur est strictement positive. Donc il existe un unique réel a>0a>0 tel que le tétraèdre GDBKa\mathrm{GDBK}_a et la pyramide ABCDKa\mathrm{ABCDK}_a aient le même volume : a=1a=1 (le point Ka\mathrm{K}_a est alors le point E).

Réponse : a=1a=1.

Points clés attendus

  • Calculer les coordonnées des vecteurs coordonnée par coordonnée, et justifier que le vecteur de coefficients de l'équation est normal au plan.

  • Pour l'équation du plan, vérifier que les trois points B, D, G la satisfont (et qu'ils ne sont pas alignés).

  • Justifier que L est le projeté orthogonal de K : Δ\Delta est perpendiculaire au plan (BDG)(\mathrm{BDG}) et le coupe en L.

  • Citer la formule du volume 13×B×h\frac13\times\mathcal{B}\times h en identifiant clairement la base et la hauteur correspondante (KL\mathrm{KL}, puis AKa\mathrm{AK}_a).

  • Pour la dernière question, exprimer les deux volumes en fonction de aa, puis résoudre l'équation et conclure sur l'existence et l'unicité de aa.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Métropole, 11 septembre 2024), 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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