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

Bac 2024, Polynésie : exercice 1

19 juin 2024 · jour 1 · 4 points Vrai / Faux

Pour chacune des affirmations suivantes, indiquer si elle est vraie ou fausse.
Chaque réponse doit être justifiée. Une réponse non justifiée ne rapporte aucun point.
Dans cet exercice, les questions sont indépendantes les unes des autres.

Les quatre affirmations se placent dans la situation suivante:

Dans l'espace muni d'un repère orthonormé (O ; ı⃗, ȷ⃗, k⃗)\left(\mathrm{O}\,;\,\vec{\imath},\,\vec{\jmath},\,\vec{k}\right), on considère les points:

A(2  ;  1  ;  −1)(2\;;\;1\;;\;-1),   B(−1  ;  2  ;  1)(-1\;;\;2\;;\;1) et   C(5  ;  0  ;  −3)(5\;;\;0\;;\;-3).

On note P\mathcal{P} le plan d'équation cartésienne:

x+5y−2z+3=0.x + 5y - 2z + 3 = 0.

On note D\mathcal{D} la droite de représentation paramétrique :

{x=−t+3y=t+2z=2t+1, t∈R.\left\{\begin{array}{l c r} x&=&-t + 3\\ y&=&t + 2\\ z &=& 2t + 1 \end{array}\right., \, t \in \mathbb{R}.

Affirmation 1 :

Le vecteur n→(102)\overrightarrow{n}\begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix} est normal au plan (OAC).

Affirmation 2 :

Les droites D\mathcal{D} et (AB) sont sécantes au point C.

Affirmation 3 :

La droite D\mathcal{D} est parallèle au plan P\mathcal{P}.

Affirmation 4 :

Le plan médiateur du segment [BC], noté QQ, a pour équation cartésienne :

3x−y−2z−7=0.3x - y - 2z - 7 = 0.

On rappelle que le plan médiateur d'un segment est le plan perpendiculaire à ce segment et passant par son milieu.

Voir le corrigé

Affirmation 1.

On calcule les coordonnées des vecteurs OA→\overrightarrow{OA} et OC→\overrightarrow{OC} :

OA→(21−1),OC→(50−3).\overrightarrow{OA}\begin{pmatrix}2\\1\\-1\end{pmatrix},\qquad \overrightarrow{OC}\begin{pmatrix}5\\0\\-3\end{pmatrix}.

On calcule les produits scalaires avec n⃗(102)\vec{n}\begin{pmatrix}1\\0\\2\end{pmatrix} :

n⃗⋅OA→=1×2+0×1+2×(−1)=0,\vec{n}\cdot\overrightarrow{OA}=1\times 2+0\times 1+2\times(-1)=0,
n⃗⋅OC→=1×5+0×0+2×(−3)=5−6=−1≠0.\vec{n}\cdot\overrightarrow{OC}=1\times 5+0\times 0+2\times(-3)=5-6=-1\neq 0.

Le vecteur n⃗\vec{n} n'est pas orthogonal à OC→\overrightarrow{OC}, qui est un vecteur du plan (OAC). Il n'est donc pas orthogonal à tous les vecteurs de ce plan.

Donc n⃗\vec{n} n'est pas normal au plan (OAC) : l'affirmation 1 est fausse.

Réponse : fausse.

Affirmation 2.

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

AB→(−1−22−11−(−1))=(−312),AC→(5−20−1−3−(−1))=(3−1−2).\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}-1-2\\2-1\\1-(-1)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-3\\1\\2\end{pmatrix},\qquad \overrightarrow{AC}\begin{pmatrix}5-2\\0-1\\-3-(-1)\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}3\\-1\\-2\end{pmatrix}.

On a AC→=−AB→\overrightarrow{AC}=-\overrightarrow{AB} : les vecteurs sont colinéaires, donc les points A, B et C sont alignés et C appartient à la droite (AB).

Pour t=−2t=-2, la représentation paramétrique de D\mathcal{D} donne

x=−(−2)+3=5,y=−2+2=0,z=2×(−2)+1=−3.x=-(-2)+3=5,\qquad y=-2+2=0,\qquad z=2\times(-2)+1=-3.

Donc C(5 ;0 ;−3)(5\,;0\,;-3) appartient à D\mathcal{D}.

Un vecteur directeur de D\mathcal{D} est (−112)\begin{pmatrix}-1\\1\\2\end{pmatrix} et un vecteur directeur de (AB) est (−312)\begin{pmatrix}-3\\1\\2\end{pmatrix}. Ils ne sont pas colinéaires : si (−312)=k(−112)\begin{pmatrix}-3\\1\\2\end{pmatrix}=k\begin{pmatrix}-1\\1\\2\end{pmatrix}, la deuxième coordonnée donne k=1k=1 et la première k=3k=3, ce qui est impossible. Les droites D\mathcal{D} et (AB) ne sont donc pas parallèles.

Les droites D\mathcal{D} et (AB) ne sont pas parallèles et ont le point C en commun.

Donc elles sont sécantes en C : l'affirmation 2 est vraie.

Réponse : vraie.

Affirmation 3.

Le plan P\mathcal{P} a pour équation x+5y−2z+3=0x+5y-2z+3=0 : le vecteur n⃗P(15−2)\vec{n}_{\mathcal{P}}\begin{pmatrix}1\\5\\-2\end{pmatrix} est un vecteur normal à P\mathcal{P}.

La droite D\mathcal{D} a pour vecteur directeur d⃗(−112)\vec{d}\begin{pmatrix}-1\\1\\2\end{pmatrix}. On calcule

n⃗P⋅d⃗=1×(−1)+5×1+(−2)×2=−1+5−4=0.\vec{n}_{\mathcal{P}}\cdot\vec{d}=1\times(-1)+5\times 1+(-2)\times 2=-1+5-4=0.

Le vecteur directeur de D\mathcal{D} est orthogonal à un vecteur normal de P\mathcal{P} : la droite D\mathcal{D} est donc parallèle au plan P\mathcal{P} (elle est soit contenue dans P\mathcal{P}, soit disjointe de P\mathcal{P}).

Pour savoir si elle est contenue dans P\mathcal{P}, on teste le point C(5 ;0 ;−3)(5\,;0\,;-3) de D\mathcal{D} :

5+5×0−2×(−3)+3=5+6+3=14≠0.5+5\times 0-2\times(-3)+3=5+6+3=14\neq 0.

Donc C n'appartient pas à P\mathcal{P} et D\mathcal{D} n'est pas contenue dans P\mathcal{P}.

Donc la droite D\mathcal{D} est parallèle au plan P\mathcal{P} (strictement) : l'affirmation 3 est vraie.

Réponse : vraie.

Affirmation 4.

On calcule les coordonnées de BC→\overrightarrow{BC} :

BC→(5−(−1)0−2−3−1)=(6−2−4)=2(3−1−2).\overrightarrow{BC}\begin{pmatrix}5-(-1)\\0-2\\-3-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}6\\-2\\-4\end{pmatrix}=2\begin{pmatrix}3\\-1\\-2\end{pmatrix}.

Le plan médiateur QQ de [BC] est perpendiculaire à (BC) : le vecteur (3−1−2)\begin{pmatrix}3\\-1\\-2\end{pmatrix}, colinéaire à BC→\overrightarrow{BC}, est un vecteur normal à QQ. Une équation de QQ est donc de la forme 3x−y−2z+d=03x-y-2z+d=0.

Le plan QQ passe par le milieu II de [BC] :

I(−1+52 ;2+02 ;1+(−3)2)=(2 ;1 ;−1).I\left(\dfrac{-1+5}{2}\,;\dfrac{2+0}{2}\,;\dfrac{1+(-3)}{2}\right)=(2\,;1\,;-1).

Les coordonnées de II vérifient l'équation de QQ :

3×2−1−2×(−1)+d=0  ⟺  6−1+2+d=0  ⟺  d=−7.3\times 2-1-2\times(-1)+d=0\iff 6-1+2+d=0\iff d=-7.

Une équation cartésienne de QQ est donc 3x−y−2z−7=03x-y-2z-7=0, ce qui est l'équation proposée.

Donc l'affirmation 4 est vraie.

Réponse : vraie.

Points clés attendus

  • Pour un vecteur normal : il doit être orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan   un seul produit scalaire non nul suffit pour réfuter.

  • Pour des droites sécantes : montrer à la fois la non-colinéarité des vecteurs directeurs et l'existence d'un point commun.

  • Pour le parallélisme d'une droite et d'un plan : produit scalaire nul entre vecteur directeur et vecteur normal, puis tester un point de la droite pour exclure l'inclusion.

  • Pour le plan médiateur : vecteur normal BC→\overrightarrow{BC} (ou un multiple), milieu de [BC], et détermination de la constante de l'équation.

  • Chaque réponse « vraie » ou « fausse » doit être justifiée, sinon elle ne rapporte aucun point.

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

Comment t'entraîner

Chronomètre-toi, rédige sur papier comme le jour du bac, puis seulement après regarde le cours. Si tu bloques sur une question, écris « on admet que… » et passe à la suivante.

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Revoir le cours

Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Polynésie, 19 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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