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

Bac 2026, Centres étrangers : exercice 1

11 juin 2026 · jour 2 · 4 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 de l'espace A(1;0;3)(1 ; 0 ; 3), B(2;1;−1)(2 ; 1 ;-1), C(1;1;1)(1 ; 1 ; 1) et H(0;2;1)(0 ; 2 ; 1)

  • le vecteur n→(442)\overrightarrow{n}\begin{pmatrix}4 \\ 4 \\ 2\end{pmatrix}.

  1. Démontrer que les points A, B et C définissent un plan de l'espace.

  2. Démontrer que le vecteur n→\overrightarrow{n} est un vecteur normal au plan (ABC).

  3. Déterminer une équation cartésienne du plan (ABC).

  4. Vérifier que le point H appartient au plan (ABC).

  5. Déterminer la mesure en degré de l'angle BAH^\widehat{\mathrm{BAH}}.

  6. Déterminer une représentation paramétrique de la droite (d)(d) orthogonale au plan (ABC) et passant par le point H.

  7. Déterminer les coordonnées du point S(xS;yS;zS)\left(x_{\mathrm{S}} ; y_{\mathrm{S}} ; z_{\mathrm{S}}\right) de la droite (d)(d) tel que :

    • la distance entre le point S et le plan (ABC) est 6

    • son abscisse xSx_{\mathrm{S}} est positive.

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Question 1.

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

AB→(2−11−0−1−3)=(11−4),AC→(1−11−01−3)=(01−2).\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}2-1\\1-0\\-1-3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\1\\-4\end{pmatrix},\qquad\overrightarrow{AC}\begin{pmatrix}1-1\\1-0\\1-3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}0\\1\\-2\end{pmatrix}.

Supposons qu'il existe un réel kk tel que AB→=k AC→\overrightarrow{AB}=k\,\overrightarrow{AC}.

La première coordonnée donnerait 1=k×0=01=k\times0=0, ce qui est impossible.

Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} ne sont donc pas colinéaires.

Par conséquent, les points A, B et C ne sont pas alignés.

Trois points non alignés définissent un unique plan.

Donc les points A, B et C définissent un plan de l'espace, noté (ABC).

Question 2.

Les vecteurs AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} sont deux vecteurs non colinéaires du plan (ABC) (question 1).

Un vecteur est normal à un plan s'il est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires de ce plan.

On calcule les produits scalaires, avec n⃗(442)\vec{n}\begin{pmatrix}4\\4\\2\end{pmatrix} :

n⃗⋅AB→=4×1+4×1+2×(−4)=4+4−8=0,n⃗⋅AC→=4×0+4×1+2×(−2)=0+4−4=0.\begin{aligned} \vec{n}\cdot\overrightarrow{AB}&=4\times1+4\times1+2\times(-4)=4+4-8=0,\\ \vec{n}\cdot\overrightarrow{AC}&=4\times0+4\times1+2\times(-2)=0+4-4=0. \end{aligned}

Donc le vecteur n⃗\vec{n} est orthogonal à AB→\overrightarrow{AB} et à AC→\overrightarrow{AC}.

Donc le vecteur n⃗\vec{n} est un vecteur normal au plan (ABC).

Question 3.

Le vecteur n⃗(4 ; 4 ; 2)\vec{n}(4\,;\,4\,;\,2) est normal au plan (ABC) : ce plan admet donc une équation cartésienne de la forme

4x+4y+2z+d=0,d∈R.4x+4y+2z+d=0,\qquad d\in\mathbb{R}.

Le point A(1 ; 0 ; 3)(1\,;\,0\,;\,3) appartient au plan, donc ses coordonnées vérifient l'équation :

4×1+4×0+2×3+d=0  ⟺  10+d=0  ⟺  d=−10.4\times1+4\times0+2\times3+d=0\iff10+d=0\iff d=-10.

Une équation cartésienne du plan (ABC) est donc

4x+4y+2z−10=0,ou encore2x+2y+z−5=0.4x+4y+2z-10=0,\qquad\text{ou encore}\qquad2x+2y+z-5=0.

Vérification avec B(2 ; 1 ; −1)(2\,;\,1\,;\,-1) : 4×2+4×1+2×(−1)−10=8+4−2−10=04\times2+4\times1+2\times(-1)-10=8+4-2-10=0.

Vérification avec C(1 ; 1 ; 1)(1\,;\,1\,;\,1) : 4×1+4×1+2×1−10=4+4+2−10=04\times1+4\times1+2\times1-10=4+4+2-10=0.

Donc une équation cartésienne du plan (ABC) est 2x+2y+z−5=02x+2y+z-5=0.

Réponse : 4x+4y+2z−10=04x+4y+2z-10=0, soit 2x+2y+z−5=02x+2y+z-5=0.

Question 4.

On remplace les coordonnées de H(0 ; 2 ; 1)(0\,;\,2\,;\,1) dans l'équation 4x+4y+2z−10=04x+4y+2z-10=0 :

4×0+4×2+2×1−10=0+8+2−10=0.4\times0+4\times2+2\times1-10=0+8+2-10=0.

Les coordonnées de H vérifient l'équation du plan (ABC).

Donc le point H appartient au plan (ABC).

Question 5.

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

AH→(0−12−01−3)=(−12−2).\overrightarrow{AH}\begin{pmatrix}0-1\\2-0\\1-3\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\2\\-2\end{pmatrix}.

On calcule le produit scalaire avec AB→(1 ; 1 ; −4)\overrightarrow{AB}(1\,;\,1\,;\,-4) :

AB→⋅AH→=1×(−1)+1×2+(−4)×(−2)=−1+2+8=9.\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AH}=1\times(-1)+1\times2+(-4)\times(-2)=-1+2+8=9.

On calcule les normes :

AB=12+12+(−4)2=18=32,AH=(−1)2+22+(−2)2=9=3.AB=\sqrt{1^2+1^2+(-4)^2}=\sqrt{18}=3\sqrt{2},\qquad AH=\sqrt{(-1)^2+2^2+(-2)^2}=\sqrt{9}=3.

Le repère est orthonormé : on peut utiliser la formule AB→⋅AH→=AB×AH×cos⁡BAH^\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AH}=AB\times AH\times\cos\widehat{BAH}.

On en déduit

cos⁡BAH^=AB→⋅AH→AB×AH=932×3=12=22.\cos\widehat{BAH}=\dfrac{\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AH}}{AB\times AH}=\dfrac{9}{3\sqrt{2}\times3}=\dfrac{1}{\sqrt{2}}=\dfrac{\sqrt{2}}{2}.

L'angle BAH^\widehat{BAH} est compris entre 0∘0^\circ et 180∘180^\circ, et le seul angle de cet intervalle de cosinus 22\dfrac{\sqrt{2}}{2} est 45∘45^\circ.

Donc la mesure de l'angle BAH^\widehat{BAH} est 45∘45^\circ.

Réponse : BAH^=45∘\widehat{BAH}=45^\circ.

Question 6.

La droite (d)(d) est orthogonale au plan (ABC) : tout vecteur normal à ce plan est un vecteur directeur de (d)(d).

D'après la question 2, le vecteur n⃗(4 ; 4 ; 2)\vec{n}(4\,;\,4\,;\,2) dirige (d)(d), et le vecteur n′⃗(2 ; 2 ; 1)=12n⃗\vec{n'}(2\,;\,2\,;\,1)=\dfrac{1}{2}\vec{n} aussi.

La droite (d)(d) passe par H(0 ; 2 ; 1)(0\,;\,2\,;\,1).

Un point M(x ; y ; z)(x\,;\,y\,;\,z) appartient à (d)(d) si et seulement si il existe un réel tt tel que HM→=t n′⃗\overrightarrow{HM}=t\,\vec{n'}.

Une représentation paramétrique de (d)(d) est donc

{x=2ty=2+2tz=1+t,t∈R.\begin{cases}x=2t\\ y=2+2t\\ z=1+t\end{cases},\qquad t\in\mathbb{R}.

Réponse : x=2tx=2t, y=2+2ty=2+2t, z=1+tz=1+t (t∈Rt\in\mathbb{R}).

Question 7.

Un point S de la droite (d)(d) a des coordonnées de la forme (2t ; 2+2t ; 1+t)(2t\,;\,2+2t\,;\,1+t), avec t∈Rt\in\mathbb{R}.

La distance d'un point S(xS ; yS ; zS)(x_{\mathrm{S}}\,;\,y_{\mathrm{S}}\,;\,z_{\mathrm{S}}) à un plan d'équation ax+by+cz+d=0ax+by+cz+d=0 est

∣axS+byS+czS+d∣a2+b2+c2.\dfrac{|ax_{\mathrm{S}}+by_{\mathrm{S}}+cz_{\mathrm{S}}+d|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}}.

Avec le plan d'équation 2x+2y+z−5=02x+2y+z-5=0, on obtient

d(S,(ABC))=∣2×2t+2(2+2t)+(1+t)−5∣22+22+12=∣4t+4+4t+1+t−5∣3=∣9t∣3=3∣t∣.d(\mathrm{S},(ABC))=\dfrac{|2\times2t+2(2+2t)+(1+t)-5|}{\sqrt{2^2+2^2+1^2}}=\dfrac{|4t+4+4t+1+t-5|}{3}=\dfrac{|9t|}{3}=3|t|.

La condition d(S,(ABC))=6d(\mathrm{S},(ABC))=6 s'écrit 3∣t∣=63|t|=6, soit ∣t∣=2|t|=2, donc t=2t=2 ou t=−2t=-2.

Pour t=−2t=-2, l'abscisse est xS=2×(−2)=−4<0x_{\mathrm{S}}=2\times(-2)=-4<0 : ce point ne convient pas.

Pour t=2t=2, on obtient xS=4>0x_{\mathrm{S}}=4>0, yS=2+4=6y_{\mathrm{S}}=2+4=6 et zS=1+2=3z_{\mathrm{S}}=1+2=3.

Donc le point cherché est S(4 ; 6 ; 3)\mathrm{S}(4\,;\,6\,;\,3).

Réponse : S(4 ; 6 ; 3)\mathrm{S}(4\,;\,6\,;\,3).

Points clés attendus

  • Justifier la non-colinéarité de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} pour affirmer que A, B, C définissent un plan.

  • Pour un vecteur normal : le montrer orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan.

  • Pour l'équation cartésienne : déterminer dd avec un point du plan, puis vérifier avec les autres points.

  • Pour l'angle : produit scalaire, normes, cosinus, puis conclusion sur la mesure en degrés.

  • Pour le point S : paramétrer (d)(d), appliquer la formule de distance d'un point à un plan, et ne retenir que la valeur de tt qui donne une abscisse positive.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2026 (Centres étrangers, 11 juin 2026 (jour 2)), ministère de l'Éducation nationale. Énoncé mis en forme pour le web à partir du tapuscrit de l'APMEP (François Kriegk) ; figures issues des fichiers de l'APMEP. En cas de doute sur un détail, le sujet officiel fait foi.

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