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

Bac 2024, Polynésie : exercice 4

5 septembre 2024 · 5 points

On considère un cube ABCDEFGH et l'espace est rapporté au repère orthonormal (A  ;  AB→,  AD→,  AE→)\left(\text{A}\;;\;\overrightarrow{\text{AB}},\;\overrightarrow{\text{AD}},\;\overrightarrow{\text{AE}}\right).

Pour tout réel mm appartenant à l'intervalle [0    1], on considère les points KK et LL de coordonnées:

K(m  ;  0  ;  0)K(m\;;\;0\;;\;0)  et   L(1−m  ;  1  ;  1)L(1 - m\;;\;1\;;\;1).

Figure de l'énoncé, exercice 4, Polynésie 5 septembre 2024
  1. Donner les coordonnées des points E et C dans ce repère.

  2. Dans cette question, m=0m = 0. Ainsi, le point L(1   1   1) est confondu avec le point G, le point K(0   0   0) est confondu avec le point A et le plan (LEK) est donc le plan (GEA).

    1. Justifier que le vecteur DB→(1−10)\overrightarrow{\text{DB}}\begin{pmatrix}1\\-1\\0\end{pmatrix} est normal au plan (GEA).

    2. Déterminer une équation cartésienne du plan (GEA).

On s'intéresse désormais à la nature de CKKELL en fonction du paramètre mm.

  1. Dans cette question, mm est un réel quelconque de l'intervalle [0   1].

    1. Démontrer que CKKELL est un parallélogramme.

    2. Justifier que KC→⋅KE→=m(m−1)\overrightarrow{K\text{C}} \cdot \overrightarrow{K\text{E}} = m(m - 1).

    3. Démontrer que CKKELL est un rectangle si, et seulement si, m=0m = 0 ou m=1m = 1.

  2. Dans cette question, m=12m = \dfrac12.Ainsi, L a pour coordonnées (12  ;  1  ;  1)\left(\dfrac12\;;\;1\;;\;1\right) et K a pour coordonnées (12  ;  0  ;  0)\left(\dfrac12\;;\;0\;;\;0\right).

    1. Démontrer que le parallélogramme CKEL est alors un losange.

    2. À l'aide de la question 3. b., déterminer une valeur approchée au degré près de la mesure de l'angle CKE^\widehat{\text{CKE}}.

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Question 1.

Dans le repère (A ;AB→,AD→,AE→)\left(\text{A}\,;\overrightarrow{\text{AB}},\overrightarrow{\text{AD}},\overrightarrow{\text{AE}}\right), on a A(0 ;0 ;0)(0\,;0\,;0), B(1 ;0 ;0)(1\,;0\,;0), D(0 ;1 ;0)(0\,;1\,;0) et E(0 ;0 ;1)(0\,;0\,;1). Le point C vérifie AC→=AB→+AD→\overrightarrow{\text{AC}}=\overrightarrow{\text{AB}}+\overrightarrow{\text{AD}} (ABCD est un carré), donc C(1 ;1 ;0)(1\,;1\,;0).

Donc E(0 ;0 ;1)(0\,;0\,;1) et C(1 ;1 ;0)(1\,;1\,;0).

Réponse : E(0 ;0 ;1)(0\,;0\,;1) et C(1 ;1 ;0)(1\,;1\,;0).

Question 2.

Pour m=0m=0, les points sont K(0 ;0 ;0)=(0\,;0\,;0)=A et L(1 ;1 ;1)=(1\,;1\,;1)=G, avec G(1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1). Le plan (LEK) est le plan (GEA).

a) On calcule deux vecteurs du plan (GEA) :

AE→(001)etAG→(111).\overrightarrow{AE}\begin{pmatrix}0\\0\\1\end{pmatrix}\qquad\text{et}\qquad\overrightarrow{AG}\begin{pmatrix}1\\1\\1\end{pmatrix}.

Ils ne sont pas colinéaires : AE→\overrightarrow{AE} a ses deux premières coordonnées nulles, pas AG→\overrightarrow{AG}, et AG→≠0⃗\overrightarrow{AG}\neq\vec 0.

Le vecteur DB→(1−00−10−0)=(1−10)\overrightarrow{DB}\begin{pmatrix}1-0\\0-1\\0-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\-1\\0\end{pmatrix} est non nul. On calcule ses produits scalaires :

DB→⋅AE→=1×0+(−1)×0+0×1=0,\overrightarrow{DB}\cdot\overrightarrow{AE}=1\times0+(-1)\times0+0\times1=0,
DB→⋅AG→=1×1+(−1)×1+0×1=0.\overrightarrow{DB}\cdot\overrightarrow{AG}=1\times1+(-1)\times1+0\times1=0.

Le vecteur DB→\overrightarrow{DB} est donc orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (GEA).

Donc DB→\overrightarrow{DB} est un vecteur normal au plan (GEA).

b) Le plan (GEA) a pour vecteur normal DB→(1−10)\overrightarrow{DB}\begin{pmatrix}1\\-1\\0\end{pmatrix} : il admet une équation de la forme x−y+d=0x-y+d=0.

Il contient A(0 ;0 ;0)(0\,;0\,;0), donc 0−0+d=00-0+d=0, soit d=0d=0.

Vérification avec les autres points : pour E(0 ;0 ;1)(0\,;0\,;1), 0−0=00-0=0   pour G(1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1), 1−1=01-1=0.

Donc une équation cartésienne du plan (GEA) est x−y=0x-y=0.

Réponse : (GEA) : x−y=0:\ x-y=0.

Question 3.

a) On calcule, pour m∈[0 ;1]m\in[0\,;1], avec C(1 ;1 ;0)(1\,;1\,;0), K(m ;0 ;0)(m\,;0\,;0), E(0 ;0 ;1)(0\,;0\,;1) et L(1−m ;1 ;1)(1-m\,;1\,;1) :

CK→(m−10−10−0)=(m−1−10),LE→(0−(1−m)0−11−1)=(m−1−10).\overrightarrow{CK}\begin{pmatrix}m-1\\0-1\\0-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}m-1\\-1\\0\end{pmatrix},\qquad\overrightarrow{LE}\begin{pmatrix}0-(1-m)\\0-1\\1-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}m-1\\-1\\0\end{pmatrix}.

Donc CK→=LE→\overrightarrow{CK}=\overrightarrow{LE}.

Un quadrilatère CKEL tel que CK→=LE→\overrightarrow{CK}=\overrightarrow{LE} est un parallélogramme.

Donc CKEL est un parallélogramme.

b) On calcule les coordonnées des vecteurs :

KC→(1−m10)etKE→(0−m01)=(−m01).\overrightarrow{KC}\begin{pmatrix}1-m\\1\\0\end{pmatrix}\qquad\text{et}\qquad\overrightarrow{KE}\begin{pmatrix}0-m\\0\\1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-m\\0\\1\end{pmatrix}.

Le repère étant orthonormé, le produit scalaire s'obtient avec les coordonnées :

KC→⋅KE→=(1−m)×(−m)+1×0+0×1=−m(1−m)=m(m−1).\overrightarrow{KC}\cdot\overrightarrow{KE}=(1-m)\times(-m)+1\times0+0\times1=-m(1-m)=m(m-1).

Donc KC→⋅KE→=m(m−1)\overrightarrow{KC}\cdot\overrightarrow{KE}=m(m-1).

c) CKEL est un parallélogramme (question 3. a)). Un parallélogramme est un rectangle si, et seulement si, il possède un angle droit. En particulier, CKEL est un rectangle si, et seulement si, l'angle en K est droit, c'est-à-dire si, et seulement si, KC→⋅KE→=0\overrightarrow{KC}\cdot\overrightarrow{KE}=0 (les vecteurs KC→\overrightarrow{KC} et KE→\overrightarrow{KE} sont non nuls, car leurs troisième et deuxième coordonnées respectives valent 11).

D'après la question précédente, cela équivaut à m(m−1)=0m(m-1)=0.

Un produit de facteurs est nul si, et seulement si, l'un des facteurs est nul : m=0m=0 ou m=1m=1. Ces deux valeurs appartiennent à [0 ;1][0\,;1].

Donc CKEL est un rectangle si, et seulement si, m=0m=0 ou m=1m=1.

Question 4.

Pour m=12m=\dfrac12, on a K(12 ;0 ;0)\left(\dfrac12\,;0\,;0\right) et L(12 ;1 ;1)\left(\dfrac12\,;1\,;1\right).

a) D'après la question 3. b), avec m=12m=\dfrac12 :

KC→(1210)etKE→(−1201).\overrightarrow{KC}\begin{pmatrix}\dfrac12\\1\\0\end{pmatrix}\qquad\text{et}\qquad\overrightarrow{KE}\begin{pmatrix}-\dfrac12\\0\\1\end{pmatrix}.

Le repère étant orthonormé, on calcule les longueurs :

KC=14+1+0=54=52,KE=14+0+1=52.KC=\sqrt{\dfrac14+1+0}=\sqrt{\dfrac54}=\dfrac{\sqrt5}{2},\qquad KE=\sqrt{\dfrac14+0+1}=\dfrac{\sqrt5}{2}.

Donc KC=KEKC=KE : le parallélogramme CKEL a deux côtés consécutifs de même longueur.

Donc CKEL est un losange.

b) D'après la question 3. b) avec m=12m=\dfrac12 :

KC→⋅KE→=12×(12−1)=−14.\overrightarrow{KC}\cdot\overrightarrow{KE}=\dfrac12\times\left(\dfrac12-1\right)=-\dfrac14.

Par ailleurs, par définition du produit scalaire :

KC→⋅KE→=KC×KE×cos⁡CKE^=52×52×cos⁡CKE^=54cos⁡CKE^.\overrightarrow{KC}\cdot\overrightarrow{KE}=KC\times KE\times\cos\widehat{CKE}=\dfrac{\sqrt5}{2}\times\dfrac{\sqrt5}{2}\times\cos\widehat{CKE}=\dfrac54\cos\widehat{CKE}.

On en déduit

54cos⁡CKE^=−14  ⟺  cos⁡CKE^=−15.\dfrac54\cos\widehat{CKE}=-\dfrac14\iff\cos\widehat{CKE}=-\dfrac15.

L'angle CKE^\widehat{CKE} est compris entre 0∘0^\circ et 180∘180^\circ, donc

CKE^=arccos⁡(−15)≈101,5∘≈102∘.\widehat{CKE}=\arccos\left(-\dfrac15\right)\approx101{,}5^\circ\approx102^\circ.

Donc l'angle CKE^\widehat{CKE} mesure environ 102∘102^\circ au degré près.

Réponse : cos⁡CKE^=−15\cos\widehat{CKE}=-\dfrac15 et CKE^≈102∘\widehat{CKE}\approx102^\circ.

Points clés attendus

  • Question 2 : deux produits scalaires nuls avec deux vecteurs non colinéaires du plan, puis équation avec un point et vérification avec les autres.

  • Question 3. a) : l'égalité vectorielle CK→=LE→\overrightarrow{CK}=\overrightarrow{LE} suffit à conclure.

  • Question 3. c) : un parallélogramme est un rectangle si et seulement si un angle est droit, donc produit scalaire nul, puis résolution de m(m−1)=0m(m-1)=0.

  • Question 4. a) : deux côtés consécutifs de même longueur dans un parallélogramme donnent un losange.

  • Question 4. b) : exprimer le produit scalaire de deux façons (coordonnées et cosinus) pour en déduire cos⁡CKE^\cos\widehat{CKE}, puis arccos à la calculatrice.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2024 (Polynésie, 5 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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