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

Bac 2024, Métropole : exercice 1

19 juin 2024 · jour 1 · sujet de secours · 5 points

On considère un repère orthonormé (A  ;  ı→,  ȷ→,  k→)\left(\text{A}\;;\;\overrightarrow{\imath},\;\overrightarrow{\jmath},\;\overrightarrow{k}\right) de l'espace dans lequel on place les points

B(4   0   0),  D(0   4   0),  E(0   0   4)

et les points C, F{}, G et H de sorte que le solide ABCDEFGH soit un cube.

Figure de l'énoncé, exercice 1, Métropole 19 juin 2024
  1. Donner les coordonnées des points C, F{}, G et H.

  2. On considère le point I milieu de l'arête [EF].

    Montrer qu'une représentation paramétrique de la droite (IC) est donnée par:

    {x=2+2ty=2+  4tz=4−4t ouˋ t∈R.\left\{\begin{array}{l c l} x &=&2+2t\\ y &=&\phantom{2 +\;}4t\\ z &=&4 - 4t \end{array}\right.\,\text{où} \, t \in \mathbb{R}.

  3. On désigne par P\mathcal{P} le plan orthogonal à la droite (IC) passant par le point G, et par J l'intersection de P\mathcal{P} avec (IC).

    1. Démontrer qu'une équation cartésienne du plan P\mathcal{P} est donnée par :

      x+2y−2z−4=0.x + 2y - 2z - 4 = 0.

    2. Justifier que J a pour coordonnées (289  ;  209  ;  169)\left(\dfrac{28}{9}\;;\;\dfrac{20}{9}\;;\;\dfrac{16}{9}\right).

      Que représente J par rapport à C ?

    3. Vérifier que le point K(0   2   0) appartient au plan P\mathcal{P}.

    4. Justifier que (BK) est l'intersection des plans P\mathcal{P} et (ABC).

  4. On rappelle que le volume d'une pyramide est donné par la formule V=B×h3V = \dfrac{B \times h}{3}, où BB est l'aire d'une base et hh la longueur de la hauteur relative à cette base.

    1. Déterminer le volume de la pyramide CBKG.

    2. En déduire que l'aire du triangle BKG est égale à 1212.

    3. Justifier que la droite (BG) est incluse dans P\mathcal{P}.

    4. On note I′' un point de l'arête [EF], et P′P' le plan orthogonal à la droite (I′' C) passant par G.

      Peut-on affirmer que la droite (BG) est incluse dans P′P' ?

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Question 1.

Le solide ABCDEFGH est un cube d'arête AB=4\text{AB}=4, avec A(0  ;  0  ;  0)(0\;;\;0\;;\;0), B(4  ;  0  ;  0)(4\;;\;0\;;\;0), D(0  ;  4  ;  0)(0\;;\;4\;;\;0) et E(0  ;  0  ;  4)(0\;;\;0\;;\;4).

Dans un cube, ABCD est un carré, donc AC→=AB→+AD→\overrightarrow{\text{AC}}=\overrightarrow{\text{AB}}+\overrightarrow{\text{AD}}.

De même, ABFE est un carré, donc AF→=AB→+AE→\overrightarrow{\text{AF}}=\overrightarrow{\text{AB}}+\overrightarrow{\text{AE}}, et ADHE est un carré, donc AH→=AD→+AE→\overrightarrow{\text{AH}}=\overrightarrow{\text{AD}}+\overrightarrow{\text{AE}}.

Enfin AG→=AB→+AD→+AE→\overrightarrow{\text{AG}}=\overrightarrow{\text{AB}}+\overrightarrow{\text{AD}}+\overrightarrow{\text{AE}}.

Avec AB→(4  ;  0  ;  0)\overrightarrow{\text{AB}}(4\;;\;0\;;\;0), AD→(0  ;  4  ;  0)\overrightarrow{\text{AD}}(0\;;\;4\;;\;0) et AE→(0  ;  0  ;  4)\overrightarrow{\text{AE}}(0\;;\;0\;;\;4), on obtient, coordonnée par coordonnée :

C(4  ;  4  ;  0),F(4  ;  0  ;  4),G(4  ;  4  ;  4),H(0  ;  4  ;  4).\text{C}(4\;;\;4\;;\;0),\quad \text{F}(4\;;\;0\;;\;4),\quad \text{G}(4\;;\;4\;;\;4),\quad \text{H}(0\;;\;4\;;\;4).

Donc les coordonnées de C, F, G et H sont celles données ci-dessus.

Réponse : C(4  ;  4  ;  0)(4\;;\;4\;;\;0), F(4  ;  0  ;  4)(4\;;\;0\;;\;4), G(4  ;  4  ;  4)(4\;;\;4\;;\;4), H(0  ;  4  ;  4)(0\;;\;4\;;\;4).

Question 2.

Le point I est le milieu de [EF][\text{EF}] avec E(0  ;  0  ;  4)(0\;;\;0\;;\;4) et F(4  ;  0  ;  4)(4\;;\;0\;;\;4).

I(0+42  ;  0+02  ;  4+42)=I(2  ;  0  ;  4).\text{I}\left(\dfrac{0+4}{2}\;;\;\dfrac{0+0}{2}\;;\;\dfrac{4+4}{2}\right)=\text{I}(2\;;\;0\;;\;4).

On calcule le vecteur

IC→=(4−2  ;  4−0  ;  0−4)=(2  ;  4  ;  −4).\overrightarrow{\text{IC}}=(4-2\;;\;4-0\;;\;0-4)=(2\;;\;4\;;\;-4).

Ce vecteur est non nul : il dirige la droite (IC).

La droite (IC) passe par I(2  ;  0  ;  4)(2\;;\;0\;;\;4) et a pour vecteur directeur IC→(2  ;  4  ;  −4)\overrightarrow{\text{IC}}(2\;;\;4\;;\;-4).

Un point M(x  ;  y  ;  z)M(x\;;\;y\;;\;z) appartient à (IC) si et seulement s'il existe un réel tt tel que IM→=t IC→\overrightarrow{\text{IM}}=t\,\overrightarrow{\text{IC}}, c'est-à-dire

{x−2=2ty−0=4tz−4=−4tsoit{x=2+2ty=4tz=4−4tt∈R.\left\{\begin{array}{l}x-2=2t\\y-0=4t\\z-4=-4t\end{array}\right.\quad\text{soit}\quad\left\{\begin{array}{l}x=2+2t\\y=4t\\z=4-4t\end{array}\right.\quad t\in\mathbb{R}.

Donc une représentation paramétrique de la droite (IC) est bien celle de l'énoncé.

Question 3.

a) Le plan P\mathcal{P} est orthogonal à la droite (IC), donc le vecteur IC→(2  ;  4  ;  −4)\overrightarrow{\text{IC}}(2\;;\;4\;;\;-4) est un vecteur normal à P\mathcal{P}.

Le vecteur n⃗=12IC→=(1  ;  2  ;  −2)\vec{n}=\dfrac12\overrightarrow{\text{IC}}=(1\;;\;2\;;\;-2) est colinéaire à IC→\overrightarrow{\text{IC}}, donc c'est aussi un vecteur normal à P\mathcal{P}.

Une équation cartésienne de P\mathcal{P} est donc de la forme

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

Le point G(4  ;  4  ;  4)(4\;;\;4\;;\;4) appartient à P\mathcal{P}, donc ses coordonnées vérifient l'équation :

4+2×4−2×4+d=0  ⟺  4+d=0  ⟺  d=−4.4+2\times4-2\times4+d=0\iff 4+d=0\iff d=-4.

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

x+2y−2z−4=0.x+2y-2z-4=0.

b) Le point J est l'intersection de P\mathcal{P} et de (IC) : ses coordonnées vérifient à la fois la représentation paramétrique de (IC) et l'équation de P\mathcal{P}.

On remplace xx, yy, zz par leurs expressions en fonction de tt dans l'équation de P\mathcal{P} :

(2+2t)+2×4t−2(4−4t)−4=02+2t+8t−8+8t−4=018t−10=0t=1018=59.\begin{aligned} (2+2t)+2\times4t-2(4-4t)-4&=0\\ 2+2t+8t-8+8t-4&=0\\ 18t-10&=0\\ t&=\dfrac{10}{18}=\dfrac59. \end{aligned}

On remplace t=59t=\dfrac59 dans la représentation paramétrique :

x=2+2×59=289,y=4×59=209,z=4−4×59=36−209=169.x=2+2\times\dfrac59=\dfrac{28}{9},\qquad y=4\times\dfrac59=\dfrac{20}{9},\qquad z=4-4\times\dfrac59=\dfrac{36-20}{9}=\dfrac{16}{9}.

Donc J a pour coordonnées (289  ;  209  ;  169)\left(\dfrac{28}{9}\;;\;\dfrac{20}{9}\;;\;\dfrac{16}{9}\right).

Le point C n'appartient pas à P\mathcal{P}, car 4+2×4−2×0−4=8≠04+2\times4-2\times0-4=8\neq0.

La droite (IC) passe par C, est orthogonale à P\mathcal{P} et coupe P\mathcal{P} en J.

Donc J est le projeté orthogonal de C sur le plan P\mathcal{P}.

c) Pour K(0  ;  2  ;  0)(0\;;\;2\;;\;0) :

0+2×2−2×0−4=4−4=0.0+2\times2-2\times0-4=4-4=0.

Donc les coordonnées de K vérifient l'équation de P\mathcal{P} : le point K appartient à P\mathcal{P}.

d) Les points A, B, C appartiennent au plan z=0z=0 : le plan (ABC) a pour équation z=0z=0 et pour vecteur normal (0  ;  0  ;  1)(0\;;\;0\;;\;1).

Ce vecteur n'est pas colinéaire à n⃗(1  ;  2  ;  −2)\vec{n}(1\;;\;2\;;\;-2) (la première coordonnée de n⃗\vec{n} est non nulle, celle de l'autre est nulle). Donc les plans P\mathcal{P} et (ABC) ne sont pas parallèles : ils sont sécants selon une droite.

Le point B(4  ;  0  ;  0)(4\;;\;0\;;\;0) appartient à (ABC) (sa cote est nulle) et à P\mathcal{P} car 4+0−0−4=04+0-0-4=0.

Le point K(0  ;  2  ;  0)(0\;;\;2\;;\;0) appartient à (ABC) (sa cote est nulle) et à P\mathcal{P} d'après la question c).

Les points B et K sont distincts et appartiennent tous deux à l'intersection de P\mathcal{P} et (ABC), qui est une droite.

Donc l'intersection des plans P\mathcal{P} et (ABC) est la droite (BK).

Question 4.

a) On choisit pour base de la pyramide CBKG le triangle BCK, situé dans le plan (ABC) d'équation z=0z=0.

Le côté [BC][\text{BC}] mesure BC=(4−4)2+(4−0)2+(0−0)2=4\text{BC}=\sqrt{(4-4)^2+(4-0)^2+(0-0)^2}=4.

La droite (BC) a pour équation x=4x=4 dans le plan z=0z=0. Le point K(0  ;  2  ;  0)(0\;;\;2\;;\;0) est à la distance 4−0=44-0=4 de cette droite : c'est la hauteur du triangle BCK issue de K.

ABCK=BC×42=4×42=8.\mathcal{A}_{\text{BCK}}=\dfrac{\text{BC}\times4}{2}=\dfrac{4\times4}{2}=8.

La hauteur de la pyramide relative à cette base est la distance de G(4  ;  4  ;  4)(4\;;\;4\;;\;4) au plan z=0z=0, soit h=4h=4.

D'après la formule du volume d'une pyramide V=B×h3V=\dfrac{B\times h}{3} :

VCBKG=8×43=323.V_{\text{CBKG}}=\dfrac{8\times4}{3}=\dfrac{32}{3}.

Donc le volume de la pyramide CBKG est 323\dfrac{32}{3} (unités de volume).

Réponse : VCBKG=323V_{\text{CBKG}}=\dfrac{32}{3}.

b) On calcule le même volume en prenant pour base le triangle BKG.

Les points B, K et G appartiennent à P\mathcal{P} (questions 3. c), 3. d) et construction de P\mathcal{P} passant par G), donc le triangle BKG est contenu dans P\mathcal{P}.

La hauteur de la pyramide relative à cette base est la distance de C au plan P\mathcal{P}. D'après la question 3. b), J est le projeté orthogonal de C sur P\mathcal{P}, donc cette hauteur est CJ.

Avec CJ→(289−4  ;  209−4  ;  169−0)=(−89  ;  −169  ;  169)\overrightarrow{\text{CJ}}\left(\dfrac{28}{9}-4\;;\;\dfrac{20}{9}-4\;;\;\dfrac{16}{9}-0\right)=\left(-\dfrac89\;;\;-\dfrac{16}{9}\;;\;\dfrac{16}{9}\right) :

CJ=(89)2+(169)2+(169)2=64+256+25681=5769=249=83.\text{CJ}=\sqrt{\left(\dfrac89\right)^2+\left(\dfrac{16}{9}\right)^2+\left(\dfrac{16}{9}\right)^2}=\sqrt{\dfrac{64+256+256}{81}}=\dfrac{\sqrt{576}}{9}=\dfrac{24}{9}=\dfrac83.

Le volume de la pyramide CBKG, calculé avec cette base, vaut donc

VCBKG=ABKG×833=8 ABKG9.V_{\text{CBKG}}=\dfrac{\mathcal{A}_{\text{BKG}}\times\dfrac83}{3}=\dfrac{8\,\mathcal{A}_{\text{BKG}}}{9}.

D'après la question a), VCBKG=323V_{\text{CBKG}}=\dfrac{32}{3}, donc

8 ABKG9=323  ⟺  ABKG=323×98=12.\dfrac{8\,\mathcal{A}_{\text{BKG}}}{9}=\dfrac{32}{3}\iff\mathcal{A}_{\text{BKG}}=\dfrac{32}{3}\times\dfrac98=12.

Donc l'aire du triangle BKG est égale à 1212.

c) Le point B(4  ;  0  ;  0)(4\;;\;0\;;\;0) vérifie 4+2×0−2×0−4=04+2\times0-2\times0-4=0 : B appartient à P\mathcal{P}.

Le point G(4  ;  4  ;  4)(4\;;\;4\;;\;4) vérifie 4+2×4−2×4−4=04+2\times4-2\times4-4=0 : G appartient à P\mathcal{P}.

Les points B et G sont distincts et appartiennent au plan P\mathcal{P}.

Donc la droite (BG) est incluse dans P\mathcal{P}.

d) Oui, on peut l'affirmer.

Soit I′' un point de l'arête [EF][\text{EF}] : I′(a  ;  0  ;  4)'(a\;;\;0\;;\;4) avec 0⩽a⩽40\leqslant a\leqslant4.

On a I′C→=(4−a  ;  4  ;  −4)\overrightarrow{\text{I}'\text{C}}=(4-a\;;\;4\;;\;-4), vecteur non nul (sa deuxième coordonnée est 44).

Le plan P′P' passe par G(4  ;  4  ;  4)(4\;;\;4\;;\;4) et a pour vecteur normal I′C→\overrightarrow{\text{I}'\text{C}} : un point M(x  ;  y  ;  z)M(x\;;\;y\;;\;z) appartient à P′P' si et seulement si GM→⋅I′C→=0\overrightarrow{\text{GM}}\cdot\overrightarrow{\text{I}'\text{C}}=0, c'est-à-dire

(4−a)(x−4)+4(y−4)−4(z−4)=0.(4-a)(x-4)+4(y-4)-4(z-4)=0.

Le point G appartient à P′P' par construction (ses coordonnées annulent chacun des trois termes).

Pour B(4  ;  0  ;  0)(4\;;\;0\;;\;0) :

(4−a)(4−4)+4(0−4)−4(0−4)=0−16+16=0.(4-a)(4-4)+4(0-4)-4(0-4)=0-16+16=0.

Donc B appartient à P′P', et cela quelle que soit la valeur de a∈[0  ;  4]a\in[0\;;\;4].

Les points B et G sont distincts et appartiennent tous deux à P′P'.

Donc la droite (BG) est incluse dans P′P', quelle que soit la position de I′' sur [EF][\text{EF}].

Points clés attendus

  • Obtenir les coordonnées des sommets du cube par des égalités vectorielles ou par lecture des arêtes.

  • Déduire un vecteur normal de P\mathcal{P} de l'orthogonalité avec (IC), puis déterminer le coefficient dd avec le point G.

  • Trouver J en injectant la représentation paramétrique de (IC) dans l'équation de P\mathcal{P}, et interpréter J comme projeté orthogonal de C sur P\mathcal{P}.

  • Justifier (BK) comme intersection des deux plans : deux points distincts communs, plans non parallèles.

  • Calculer le volume de CBKG de deux façons (deux bases, deux hauteurs) pour en déduire l'aire de BKG.

  • Pour la dernière question, vérifier que B et G sont dans P′P' pour un point I′' quelconque, sans fixer aa.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Métropole, 19 juin 2024 (jour 1), sujet de secours), 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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