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

Bac 2026, Amérique du Nord : exercice 3

21 mai 2026 · jour 2 · 5 points

L'espace est muni d'un repère orthonormé (O ; ı⃗, ȷ⃗, k⃗)\left(\mathrm{O}\,;\,\vec{\imath},\,\vec{\jmath},\,\vec{k}\right).

On considère :

  • les points A(4   2   2), B(5  ;  −2  ;  3)(5\;;\;-2\;;\;3) et C(1   1   1)

  • la droite Δ\Delta dont une représentation paramétrique est donnée par

    {x=1+2ty=1+2tz=1+2tavec t∈R\left\{\begin{array}{lc l} x &=& 1 + 2t\\ y &=&1+ \phantom{2}t\\ z &=& 1 +2t\\ \end{array}\right. \text{avec}\, t \in \mathbb{R}

  • le plan P\mathcal{P} contenant le point A et perpendiculaire à la droite Δ\Delta.

  1. Vérifier que la droite Δ\Delta contient le point C(1   1   1) mais pas le point A.

    1. Démontrer qu'une équation cartésienne du plan P\mathcal{P} est 2x+y+2z−14=02x + y + 2z - 14 = 0.

    2. Vérifier que le plan P\mathcal{P} contient le point B mais pas le point C.

  2. On considère le point D(3   2   3).

    1. Démontrer que le point D est le projeté orthogonal du point C sur le plan P\mathcal{P}.

    2. Justifier que les points A, B, C et D ne sont pas coplanaires.

    3. Calculer le produit scalaire AB→⋅AD→\overrightarrow{\text{AB}} \cdot \overrightarrow{\text{AD}}.

    4. Calculer le volume du tétraèdre ABCD.

      On rappelle que le volume d'un tétraèdre est donné par V=13×B×hV = \dfrac13 \times B \times h où BB est l'aire d'une base du tétraèdre et hh la hauteur relative à cette base.

  3. On appelle H le projeté orthogonal du point A sur la droite (BC).

    1. Vérifier que les coordonnées du point H sont (7329  ;  −429  ;  5129)\left(\dfrac{73}{29}\;;\;\dfrac{-4}{29}\;;\;\dfrac{51}{29}\right).

    2. Démontrer que l'aire du triangle ABC est 3222\dfrac{3\sqrt{22}}{2}.

    3. En déduire la distance du point D au plan (ABC).

Voir le corrigé

Question 1.

Le vecteur u⃗ (2 ;1 ;2)\vec{u}\,(2\,;1\,;2), formé des coefficients de tt, est un vecteur directeur de Δ\Delta.

Le point C. Pour t=0t=0, la représentation paramétrique donne (1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1), ce sont les coordonnées de C. Donc C appartient à Δ\Delta.

Le point A. Si A(4 ;2 ;2)(4\,;2\,;2) appartenait à Δ\Delta, il existerait un réel tt tel que

{1+2t=41+t=21+2t=2\begin{cases}1+2t=4\\1+t=2\\1+2t=2\end{cases}

La première équation donne t=32t=\dfrac32, la deuxième donne t=1t=1 : ces valeurs sont différentes, donc le système n'a pas de solution.

Donc la droite Δ\Delta contient le point C mais pas le point A.

Question 2. a)

Le plan P\mathcal{P} est perpendiculaire à la droite Δ\Delta, donc un vecteur directeur de Δ\Delta est un vecteur normal à P\mathcal{P}. Ainsi u⃗ (2 ;1 ;2)\vec{u}\,(2\,;1\,;2) est normal à P\mathcal{P}.

Un plan de vecteur normal (2 ;1 ;2)(2\,;1\,;2) a une équation cartésienne de la forme

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

Le plan P\mathcal{P} contient A(4 ;2 ;2)(4\,;2\,;2), donc

2×4+2+2×2+d=0  ⟺  14+d=0  ⟺  d=−14.2\times4+2+2\times2+d=0\iff14+d=0\iff d=-14.

Donc une équation cartésienne de P\mathcal{P} est 2x+y+2z−14=02x+y+2z-14=0.

Question 2. b)

Le point B(5 ;−2 ;3)(5\,;-2\,;3). On calcule 2×5+(−2)+2×3−14=10−2+6−14=02\times5+(-2)+2\times3-14=10-2+6-14=0. Donc B appartient à P\mathcal{P}.

Le point C(1 ;1 ;1)(1\,;1\,;1). On calcule 2×1+1+2×1−14=2+1+2−14=−9≠02\times1+1+2\times1-14=2+1+2-14=-9\neq0. Donc C n'appartient pas à P\mathcal{P}.

Donc le plan P\mathcal{P} contient le point B mais pas le point C.

Question 3. a)

Le projeté orthogonal de C sur P\mathcal{P} est l'unique point de P\mathcal{P} tel que la droite passant par C et ce point soit orthogonale à P\mathcal{P}. Il suffit donc de vérifier deux choses pour D(3 ;2 ;3)(3\,;2\,;3).

D appartient à P\mathcal{P}. On a 2×3+2+2×3−14=6+2+6−14=02\times3+2+2\times3-14=6+2+6-14=0.

(CD) est orthogonale à P\mathcal{P}. On a

CD→ (3−1 ;2−1 ;3−1)=(2 ;1 ;2)=u⃗.\overrightarrow{\mathrm{CD}}\,(3-1\,;2-1\,;3-1)=(2\,;1\,;2)=\vec{u}.
Ce vecteur est normal à P\mathcal{P}, donc la droite (CD) est orthogonale à P\mathcal{P}.

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

Question 3. b)

On a A, B et D dans P\mathcal{P} (d'après 2. a), 2. b) et 3. a)).

On calcule les coordonnées des vecteurs :

AB→ (5−4 ;−2−2 ;3−2)=(1 ;−4 ;1),AD→ (3−4 ;2−2 ;3−2)=(−1 ;0 ;1).\overrightarrow{\mathrm{AB}}\,(5-4\,;-2-2\,;3-2)=(1\,;-4\,;1),\qquad\overrightarrow{\mathrm{AD}}\,(3-4\,;2-2\,;3-2)=(-1\,;0\,;1).

Ces vecteurs ne sont pas colinéaires : la deuxième coordonnée de AD→\overrightarrow{\mathrm{AD}} est nulle alors que celle de AB→\overrightarrow{\mathrm{AB}} ne l'est pas, tandis que leurs premières coordonnées sont non nulles. Donc A, B et D ne sont pas alignés et déterminent un unique plan, qui est donc P\mathcal{P}.

Si les points A, B, C, D étaient coplanaires, C appartiendrait au plan (ABD) =P=\mathcal{P}. Or C n'appartient pas à P\mathcal{P} d'après 2. b).

Donc les points A, B, C et D ne sont pas coplanaires.

Question 3. c)

On utilise l'expression du produit scalaire dans un repère orthonormé :

AB→⋅AD→=1×(−1)+(−4)×0+1×1=−1+0+1=0.\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AD}}=1\times(-1)+(-4)\times0+1\times1=-1+0+1=0.

Donc AB→⋅AD→=0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AD}}=0.

Réponse : AB→⋅AD→=0\overrightarrow{\mathrm{AB}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{AD}}=0.

Question 3. d)

On prend pour base le triangle ABD, situé dans P\mathcal{P}.

D'après la question précédente, AB→⊥AD→\overrightarrow{\mathrm{AB}}\perp\overrightarrow{\mathrm{AD}} : le triangle ABD est rectangle en A. On calcule

AB=12+(−4)2+12=18=32,AD=(−1)2+02+12=2.\mathrm{AB}=\sqrt{1^{2}+(-4)^{2}+1^{2}}=\sqrt{18}=3\sqrt2,\qquad\mathrm{AD}=\sqrt{(-1)^{2}+0^{2}+1^{2}}=\sqrt2.

L'aire de la base est donc

B=12×AB×AD=12×32×2=3.B=\dfrac12\times\mathrm{AB}\times\mathrm{AD}=\dfrac12\times3\sqrt2\times\sqrt2=3.

La droite (CD) est orthogonale à P\mathcal{P} et D appartient à P\mathcal{P} : la hauteur du tétraèdre relative à la base ABD est

h=CD=22+12+22=9=3.h=\mathrm{CD}=\sqrt{2^{2}+1^{2}+2^{2}}=\sqrt9=3.

D'après la formule du volume, V=13×B×hV=\dfrac13\times B\times h :

V=13×3×3=3.V=\dfrac13\times3\times3=3.

Donc le volume du tétraèdre ABCD est 33 unités de volume.

Réponse : V=3V=3.

Question 4. a)

On vérifie que H appartient à (BC), puis que (AH) est orthogonale à (BC).

On calcule BC→ (1−5 ;1−(−2) ;1−3)=(−4 ;3 ;−2)\overrightarrow{\mathrm{BC}}\,(1-5\,;1-(-2)\,;1-3)=(-4\,;3\,;-2).

Avec H(7329 ;−429 ;5129)\left(\dfrac{73}{29}\,;\dfrac{-4}{29}\,;\dfrac{51}{29}\right), on a

BH→(73−14529 ;−4+5829 ;51−8729)=(−7229 ;5429 ;−3629)=1829 BC→.\overrightarrow{\mathrm{BH}}\left(\dfrac{73-145}{29}\,;\dfrac{-4+58}{29}\,;\dfrac{51-87}{29}\right)=\left(-\dfrac{72}{29}\,;\dfrac{54}{29}\,;-\dfrac{36}{29}\right)=\dfrac{18}{29}\,\overrightarrow{\mathrm{BC}}.

Les vecteurs BH→\overrightarrow{\mathrm{BH}} et BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}} sont colinéaires : H appartient à la droite (BC).

On calcule ensuite

AH→(73−11629 ;−4−5829 ;51−5829)=(−4329 ;−6229 ;−729),\overrightarrow{\mathrm{AH}}\left(\dfrac{73-116}{29}\,;\dfrac{-4-58}{29}\,;\dfrac{51-58}{29}\right)=\left(-\dfrac{43}{29}\,;-\dfrac{62}{29}\,;-\dfrac{7}{29}\right),
AH→⋅BC→=(−43)×(−4)+(−62)×3+(−7)×(−2)29=172−186+1429=0.\overrightarrow{\mathrm{AH}}\cdot\overrightarrow{\mathrm{BC}}=\dfrac{(-43)\times(-4)+(-62)\times3+(-7)\times(-2)}{29}=\dfrac{172-186+14}{29}=0.

Donc H est un point de (BC) tel que (AH) soit orthogonale à (BC) : H est le projeté orthogonal de A sur (BC).

Question 4. b)

D'après la question précédente, [AH] est la hauteur du triangle ABC issue de A, donc

A(ABC)=12×BC×AH.\mathcal{A}(\mathrm{ABC})=\dfrac12\times\mathrm{BC}\times\mathrm{AH}.

On calcule

BC=(−4)2+32+(−2)2=29.\mathrm{BC}=\sqrt{(-4)^{2}+3^{2}+(-2)^{2}}=\sqrt{29}.

Pour AH, on a 432+622+72=1849+3844+49=5742=9×638=9×29×2243^{2}+62^{2}+7^{2}=1849+3844+49=5742=9\times638=9\times29\times22, donc

AH=574229=329×2229=32229.\mathrm{AH}=\dfrac{\sqrt{5742}}{29}=\dfrac{3\sqrt{29\times22}}{29}=\dfrac{3\sqrt{22}}{\sqrt{29}}.

On obtient

A(ABC)=12×29×32229=3222.\mathcal{A}(\mathrm{ABC})=\dfrac12\times\sqrt{29}\times\dfrac{3\sqrt{22}}{\sqrt{29}}=\dfrac{3\sqrt{22}}{2}.

Donc l'aire du triangle ABC est 3222\dfrac{3\sqrt{22}}{2}.

Question 4. c)

On calcule le volume du tétraèdre ABCD en prenant cette fois ABC pour base. La hauteur relative à cette base est la distance dd du point D au plan (ABC), et

V=13×A(ABC)×d.V=\dfrac13\times\mathcal{A}(\mathrm{ABC})\times d.

Le volume ne dépend pas de la base choisie : V=3V=3 d'après 3. d). Donc

3=13×3222×d=222 d,3=\dfrac13\times\dfrac{3\sqrt{22}}{2}\times d=\dfrac{\sqrt{22}}{2}\,d,
d'où
d=622=62222=32211≈1,28.d=\dfrac{6}{\sqrt{22}}=\dfrac{6\sqrt{22}}{22}=\dfrac{3\sqrt{22}}{11}\approx1{,}28.

Donc la distance du point D au plan (ABC) est 32211≈1,28\dfrac{3\sqrt{22}}{11}\approx1{,}28 (arrondie au centième).

Réponse : d(D,(ABC))=32211≈1,28d(\mathrm{D},(\mathrm{ABC}))=\dfrac{3\sqrt{22}}{11}\approx1{,}28.

Points clés attendus

  • Utiliser le vecteur directeur de Δ\Delta comme vecteur normal à P\mathcal{P}, puis déterminer dd avec les coordonnées de A.

  • Pour le projeté orthogonal, vérifier les deux conditions : D appartient au plan et CD→\overrightarrow{\mathrm{CD}} est normal au plan.

  • Justifier la non-coplanarité : A, B, D définissent le plan P\mathcal{P} et C n'y appartient pas.

  • Pour H, vérifier à la fois la colinéarité de BH→\overrightarrow{\mathrm{BH}} et BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}} et l'orthogonalité de AH→\overrightarrow{\mathrm{AH}} et BC→\overrightarrow{\mathrm{BC}}.

  • Citer la formule du volume V=13BhV=\dfrac13Bh avec deux bases différentes pour en déduire la distance de D au plan (ABC).

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2026 (Amérique du Nord, 21 mai 2026 (jour 2)), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (Denis Vergès) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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