Terminale Spé Maths / Chapitre 11 : Orthogonalité et distances dans l'espace / Annales du bac
Bac 2025, Métropole : exercice 2
On considère le cube ABCDEFGH.
On place le point M tel que .

Partie A
Montrer que les droites (FG) et (FM) sont perpendiculaires.
Montrer que les points A, M, G et H sont coplanaires.
Partie B
On se place dans le repère orthonormé .
Déterminer les coordonnées des vecteurs et et montrer qu'ils ne sont pas colinéaires.
Justifier qu'une représentation paramétrique de la droite (GM) est :
On admet qu'une représentation paramétrique de la droite (AH) est :
Montrer que le point d'intersection de (GM) et (AH), que l'on nommera N, a pour coordonnées (0 2 2).
Montrer que le triangle AMN est un triangle rectangle en A.
Calculer l'aire de ce triangle.
Soit J le centre de la face BCGF{}.
Déterminer les coordonnées du point J.
Montrer que le vecteur est un vecteur normal au plan (AMN).
Montrer que J appartient au plan (AMN). En déduire qu'il est le projeté orthogonal du point F sur le plan (AMN).
On rappelle que le volume d'un tétraèdre ou d'une pyramide est donné par la formule :
étant l'aire d'une base et la hauteur relative à cette base.
Montrer que le volume du tétraèdre AMNF est le double du volume de la pyramide BCGFM.
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Partie A
Question 1. Dans le cube ABCDEFGH, on a .
D'après la relation de Chasles et l'hypothèse ,
Les arêtes , et sont issues d'un même sommet B du cube : elles sont deux à deux perpendiculaires. Donc et .
Donc
Les vecteurs et sont orthogonaux (et non nuls), et les droites (FG) et (FM) sont sécantes en F : elles sont perpendiculaires.
Question 2. Dans le cube, .
Par la relation de Chasles, .
Donc : les vecteurs et sont colinéaires, donc les droites (AM) et (HG) sont parallèles. Elles sont distinctes (le point H n'est pas sur la droite (AB)).
Deux droites parallèles distinctes sont contenues dans un même plan. Donc les points A, M, G et H sont coplanaires.
Partie B
Dans le repère , on a
Comme , on a .
Question 1. On calcule coordonnée par coordonnée :
Si ces vecteurs étaient colinéaires, comme , il existerait un réel tel que . La première coordonnée donnerait , ce qui est impossible.
Donc et ne sont pas colinéaires.
Question 2. a) La droite (GM) passe par et a pour vecteur directeur .
Un point est sur (GM) si et seulement si avec , c'est-à-dire
On retrouve la représentation paramétrique demandée.
Question 2. b) Un point commun aux droites (GM) et (AH) correspond à des réels et vérifiant
La première équation donne . Les deux autres équations sont identiques et donnent .
Pour dans (GM) : .
Pour dans (AH) : .
Les deux droites ont donc un unique point commun (elles ne sont pas parallèles d'après la question 1) : c'est le point .
Question 3. a) On a et . Donc
Les vecteurs et sont orthogonaux et non nuls : le triangle AMN est rectangle en A.
Question 3. b) On a et .
Le triangle étant rectangle en A, son aire est
Réponse : (unités d'aire).
Question 4. a) Le point J est le centre de la face BCGF, c'est-à-dire le milieu de la diagonale , avec et :
Question 4. b) On a .
Calculons les produits scalaires avec deux vecteurs du plan (AMN) :
Les vecteurs et ne sont pas colinéaires (leurs coordonnées ne sont pas proportionnelles : la deuxième coordonnée de est nulle, pas celle de ) et .
Donc est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (AMN) : c'est un vecteur normal à ce plan.
Question 4. c) Le vecteur est normal à (AMN), donc une équation cartésienne du plan est de la forme .
Le point appartient au plan, donc : le plan (AMN) a pour équation .
Vérifications : pour M, pour N, .
Pour J : , donc J appartient au plan (AMN).
Le vecteur est normal à (AMN) et J appartient à (AMN) : la droite (FJ) est orthogonale au plan (AMN) et le coupe en J. Donc J est le projeté orthogonal de F sur le plan (AMN).
Question 5. On utilise la formule .
Tétraèdre AMNF. On prend pour base le triangle AMN, d'aire (question 3. b)). La hauteur relative à cette base est la distance de F au plan (AMN), c'est-à-dire puisque J est le projeté orthogonal de F sur ce plan (question 4. c)) :
Donc
Pyramide BCGFM. Sa base est le carré BCGF, d'aire . Le point M est sur la droite (AB), perpendiculaire à la face BCGF, et B est dans cette face : la hauteur est . Donc
Donc : le volume du tétraèdre AMNF est le double de celui de la pyramide BCGFM.
Points clés attendus
Utiliser les relations de Chasles et les orthogonalités des arêtes du cube pour la perpendiculaire, et le parallélisme de (AM) et (HG) pour la coplanarité.
Calculer les coordonnées des vecteurs, justifier la non-colinéarité et résoudre le système d'intersection.
Justifier un vecteur normal par deux produits scalaires nuls avec des vecteurs non colinéaires du plan, puis donner l'équation du plan et la vérifier.
Conclure que J est le projeté orthogonal de F : vecteur normal et appartenance au plan.
Pour les volumes, citer la formule et identifier base et hauteur correspondantes.
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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2025 (Métropole, 9 septembre 2025 (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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