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

Bac 2026, Métropole : exercice 1

17 juin 2026 · jour 2 · 5 points

Dans le 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(3;−2;0)(3 ;-2 ; 0), C(0;−1;1)(0 ;-1 ; 1) et D(0;0;2)(0 ; 0 ; 2).

Figure de l'énoncé, exercice 1, Métropole 17 juin 2026
  1. Montrer que les points A, B et C définissent un plan.

    1. Montrer que le vecteur n→(1−14)\overrightarrow{n} \begin{pmatrix} 1 \\ -1 \\ 4 \end{pmatrix} est normal au plan (ABC).

    2. En déduire qu'une équation cartésienne du plan (ABC) est :

      x−y+4z−5=0.x-y+4 z-5=0.

  2. Vérifier qu'une représentation paramétrique de la droite Δ\Delta passant par D et orthogonale au plan (ABC) est donnée par :

    {x=ty=−tz=2+4t avec t∈R.\begin{cases} x=t \\ y=-t \\ z=2+4 t \end{cases} \quad \text { avec } t \in \mathbb{R}.

  3. Montrer que le projeté orthogonal de D sur le plan (ABC) est le point H(−16;16;43)\left(-\dfrac{1}{6} ; \dfrac{1}{6} ; \dfrac{4}{3}\right).

    1. Montrer que le triangle ABC est isocèle en B.

    2. Montrer que l'aire du triangle ABC est 323 \sqrt{2}.

    1. En déduire que le volume du tétraèdre ABCD est égal à 1.

      On rappelle que le volume d'un tétraèdre est donné par:   V=13BhV=\dfrac{1}{3} \mathcal{B} h,  où B\mathcal{B} est l'aire d'une base et hh la hauteur relative à cette base.

    2. On admet que la distance du point A au plan (BCD) est égale à 2\sqrt{2}.

      En déduire l'aire du triangle BCD.

  4. Dans cette question, on note Dk\mathrm{D}_{k} le point ayant pour coordonnées (0;0;k)(0 ; 0 ; k), où kk est un réel.

    1. Déterminer la valeur de kk pour laquelle les points A, B, C et Dk\mathrm{D}_{k} sont coplanaires.

      Quel est alors le projeté orthogonal du point Dk_{k} sur le plan (ABC)?

    2. Peut-on trouver une valeur de kk telle que A soit le projeté orthogonal de Dk\mathrm{D}_{k} sur le plan (ABC) ?

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Question 1.

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

AB→(3−2−2−10−1)=(1−3−1),AC→(0−2−1−11−1)=(−2−20).\overrightarrow{AB}\begin{pmatrix}3-2\\-2-1\\0-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}1\\-3\\-1\end{pmatrix},\qquad \overrightarrow{AC}\begin{pmatrix}0-2\\-1-1\\1-1\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-2\\-2\\0\end{pmatrix}.

Ces deux vecteurs sont non nuls.

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

La troisième coordonnée donne 0=λ×(−1)0=\lambda\times(-1), donc λ=0\lambda=0.

Mais alors AC→=0⃗\overrightarrow{AC}=\vec 0, ce qui est faux car sa première coordonnée vaut −2-2.

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

Donc les points A, B et C ne sont pas alignés : ils définissent un plan.

Question 2. a)

On calcule les produits scalaires de n⃗(1−14)\vec n\begin{pmatrix}1\\-1\\4\end{pmatrix} avec les deux vecteurs précédents :

n⃗⋅AB→=1×1+(−1)×(−3)+4×(−1)=1+3−4=0,\vec n\cdot\overrightarrow{AB}=1\times1+(-1)\times(-3)+4\times(-1)=1+3-4=0,
n⃗⋅AC→=1×(−2)+(−1)×(−2)+4×0=−2+2+0=0.\vec n\cdot\overrightarrow{AC}=1\times(-2)+(-1)\times(-2)+4\times0=-2+2+0=0.

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

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

Un vecteur orthogonal à deux vecteurs non colinéaires d'un plan est orthogonal à tout vecteur de ce plan.

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

Question 2. b)

Le vecteur n⃗(1−14)\vec n\begin{pmatrix}1\\-1\\4\end{pmatrix} est normal au plan (ABC), donc ce plan admet une équation cartésienne de la forme

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

Le point A(2 ;1 ;1)(2\,;1\,;1) appartient au plan, donc ses coordonnées vérifient l'équation :

2−1+4×1+d=0  ⟺  5+d=0  ⟺  d=−5.2-1+4\times1+d=0\iff 5+d=0\iff d=-5.

Vérification avec les deux autres points :

B:3−(−2)+4×0−5=0,C:0−(−1)+4×1−5=0.\text{B} : 3-(-2)+4\times0-5=0,\qquad \text{C} : 0-(-1)+4\times1-5=0.

Donc une équation cartésienne du plan (ABC) est

x−y+4z−5=0.x-y+4z-5=0.

Question 3.

Pour t=0t=0, la représentation paramétrique donne le point de coordonnées (0 ;0 ;2)(0\,;0\,;2), c'est-à-dire D.

Donc la droite Δ\Delta passe par D.

Cette représentation paramétrique s'écrit {x=0+1×ty=0+(−1)×tz=2+4×t\begin{cases}x=0+1\times t\\y=0+(-1)\times t\\z=2+4\times t\end{cases}, donc Δ\Delta a pour vecteur directeur u⃗(1−14)\vec u\begin{pmatrix}1\\-1\\4\end{pmatrix}.

On a u⃗=n⃗\vec u=\vec n, et n⃗\vec n est normal au plan (ABC) d'après la question 2. a).

Un vecteur directeur de Δ\Delta est donc normal au plan (ABC) : la droite Δ\Delta est orthogonale à (ABC).

Donc la droite passant par D et orthogonale au plan (ABC) admet bien la représentation paramétrique proposée.

Question 4.

Le projeté orthogonal de D sur le plan (ABC) est le point d'intersection de la droite Δ\Delta (perpendiculaire à (ABC) passant par D) et du plan (ABC).

Un point de Δ\Delta de paramètre tt appartient à (ABC) si et seulement si ses coordonnées vérifient l'équation du plan :

t−(−t)+4(2+4t)−5=0.t-(-t)+4(2+4t)-5=0.

On développe et on réduit :

2t+8+16t−5=0  ⟺  18t+3=0  ⟺  t=−318=−16.2t+8+16t-5=0\iff 18t+3=0\iff t=-\dfrac{3}{18}=-\dfrac16.

On remplace tt par −16-\dfrac16 dans la représentation paramétrique :

x=−16,y=−(−16)=16,z=2+4×(−16)=2−23=43.x=-\dfrac16,\qquad y=-\left(-\dfrac16\right)=\dfrac16,\qquad z=2+4\times\left(-\dfrac16\right)=2-\dfrac23=\dfrac43.

Donc le projeté orthogonal de D sur le plan (ABC) est le point H(−16 ;16 ;43)\left(-\dfrac16\,;\dfrac16\,;\dfrac43\right).

Réponse : H(−16 ;16 ;43)\left(-\dfrac16\,;\dfrac16\,;\dfrac43\right), obtenu pour t=−16t=-\dfrac16.

Question 5. a)

On calcule les coordonnées des vecteurs BA→\overrightarrow{BA} et BC→\overrightarrow{BC} :

BA→(2−31−(−2)1−0)=(−131),BC→(0−3−1−(−2)1−0)=(−311).\overrightarrow{BA}\begin{pmatrix}2-3\\1-(-2)\\1-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-1\\3\\1\end{pmatrix},\qquad \overrightarrow{BC}\begin{pmatrix}0-3\\-1-(-2)\\1-0\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-3\\1\\1\end{pmatrix}.

Le repère étant orthonormé, on en déduit :

BA=(−1)2+32+12=11,BC=(−3)2+12+12=11.BA=\sqrt{(-1)^2+3^2+1^2}=\sqrt{11},\qquad BC=\sqrt{(-3)^2+1^2+1^2}=\sqrt{11}.

On a BA=BCBA=BC.

Donc le triangle ABC est isocèle en B.

Question 5. b)

Soit I le milieu du segment [AC]. Ses coordonnées sont

I(2+02 ;1+(−1)2 ;1+12)=(1 ;0 ;1).\text{I}\left(\dfrac{2+0}{2}\,;\dfrac{1+(-1)}{2}\,;\dfrac{1+1}{2}\right)=(1\,;0\,;1).

Le triangle ABC est isocèle en B, donc la médiane (BI) est aussi la hauteur issue de B.

Vérification : BI→(−221)\overrightarrow{BI}\begin{pmatrix}-2\\2\\1\end{pmatrix} et BI→⋅AC→=(−2)×(−2)+2×(−2)+1×0=4−4=0\overrightarrow{BI}\cdot\overrightarrow{AC}=(-2)\times(-2)+2\times(-2)+1\times0=4-4=0.

On calcule les longueurs utiles :

BI=(−2)2+22+12=9=3,AC=(−2)2+(−2)2+02=8=22.BI=\sqrt{(-2)^2+2^2+1^2}=\sqrt{9}=3,\qquad AC=\sqrt{(-2)^2+(-2)^2+0^2}=\sqrt8=2\sqrt2.

L'aire d'un triangle est égale à la moitié du produit d'une base par la hauteur correspondante :

AABC=12×AC×BI=12×22×3=32.\mathcal A_{ABC}=\dfrac12\times AC\times BI=\dfrac12\times2\sqrt2\times3=3\sqrt2.

Donc l'aire du triangle ABC est égale à 323\sqrt2.

Question 6. a)

Le projeté orthogonal de D sur le plan (ABC) est H, donc la hauteur du tétraèdre ABCD relative à la base ABC est la longueur DHDH.

On a DH→(−16−016−043−2)=(−1616−23)\overrightarrow{DH}\begin{pmatrix}-\frac16-0\\\frac16-0\\\frac43-2\end{pmatrix}=\begin{pmatrix}-\frac16\\\frac16\\-\frac23\end{pmatrix}, donc

DH=136+136+49=1+1+1636=1836=12=22.DH=\sqrt{\dfrac1{36}+\dfrac1{36}+\dfrac{4}{9}}=\sqrt{\dfrac{1+1+16}{36}}=\sqrt{\dfrac{18}{36}}=\sqrt{\dfrac12}=\dfrac{\sqrt2}{2}.

La formule du volume d'un tétraèdre donne, avec B=AABC=32\mathcal B=\mathcal A_{ABC}=3\sqrt2 et h=DH=22h=DH=\dfrac{\sqrt2}{2} :

V=13×B×h=13×32×22=13×3×22=1.V=\dfrac13\times\mathcal B\times h=\dfrac13\times3\sqrt2\times\dfrac{\sqrt2}{2}=\dfrac13\times3\times\dfrac{2}{2}=1.

Donc le volume du tétraèdre ABCD est égal à 11.

Réponse : V=1V=1.

Question 6. b)

On calcule de nouveau le volume du tétraèdre ABCD, en prenant maintenant le triangle BCD pour base.

La hauteur relative à cette base est la distance du point A au plan (BCD), admise égale à 2\sqrt2.

La formule du volume donne

V=13×ABCD×2.V=\dfrac13\times\mathcal A_{BCD}\times\sqrt2.

Comme V=1V=1 d'après la question 6. a), on obtient

1=13×ABCD×2  ⟺  ABCD=32=322.1=\dfrac13\times\mathcal A_{BCD}\times\sqrt2\iff\mathcal A_{BCD}=\dfrac{3}{\sqrt2}=\dfrac{3\sqrt2}{2}.

Donc l'aire du triangle BCD est égale à 322\dfrac{3\sqrt2}{2}.

Réponse : ABCD=322\mathcal A_{BCD}=\dfrac{3\sqrt2}{2}.

Question 7. a)

Les points A, B et C ne sont pas alignés (question 1) et définissent le plan (ABC).

Donc les points A, B, C et Dk\mathrm D_k sont coplanaires si et seulement si Dk\mathrm D_k appartient au plan (ABC).

Le point Dk\mathrm D_k a pour coordonnées (0 ;0 ;k)(0\,;0\,;k)   il appartient à (ABC) si et seulement si

0−0+4k−5=0  ⟺  k=54.0-0+4k-5=0\iff k=\dfrac54.

Pour cette valeur de kk, le point Dk\mathrm D_k appartient au plan (ABC), donc son projeté orthogonal sur ce plan est lui-même.

Donc les points A, B, C et Dk\mathrm D_k sont coplanaires si et seulement si k=54k=\dfrac54, et le projeté orthogonal de D5/4\mathrm D_{5/4} sur (ABC) est le point D5/4(0 ;0 ;54)\mathrm D_{5/4}\left(0\,;0\,;\dfrac54\right) lui-même.

Réponse : k=54k=\dfrac54   le projeté orthogonal est D5/4(0 ;0 ;54)\mathrm D_{5/4}\left(0\,;0\,;\dfrac54\right).

Question 7. b)

Supposons qu'il existe un réel kk tel que A soit le projeté orthogonal de Dk\mathrm D_k sur (ABC).

Alors la droite (DkA)(\mathrm D_k\mathrm A) est orthogonale au plan (ABC), donc le vecteur DkA→\overrightarrow{\mathrm D_k\mathrm A} est colinéaire au vecteur normal n⃗\vec n.

On a DkA→(211−k)\overrightarrow{\mathrm D_k\mathrm A}\begin{pmatrix}2\\1\\1-k\end{pmatrix} et n⃗(1−14)\vec n\begin{pmatrix}1\\-1\\4\end{pmatrix}.

Il existerait donc un réel λ\lambda tel que DkA→=λn⃗\overrightarrow{\mathrm D_k\mathrm A}=\lambda\vec n, ce qui donne 2=λ2=\lambda (première coordonnée) et 1=−λ1=-\lambda (deuxième coordonnée).

On aurait alors λ=2\lambda=2 et λ=−1\lambda=-1, ce qui est impossible.

Donc il n'existe aucune valeur de kk telle que A soit le projeté orthogonal de Dk\mathrm D_k sur le plan (ABC).

Réponse : non.

Points clés attendus

  • Justifier la non-colinéarité de AB→\overrightarrow{AB} et AC→\overrightarrow{AC} avant de parler du plan (ABC), puis de vecteur normal.

  • Pour un vecteur normal : produit scalaire nul avec deux vecteurs non colinéaires du plan.

  • Projeté orthogonal : intersection de la perpendiculaire au plan passant par D et du plan, système résolu en tt.

  • Aire d'un triangle isocèle par la hauteur issue du sommet principal, volume par V=13BhV=\dfrac13\mathcal B h avec la hauteur DHDH.

  • Question 7 : coplanarité équivaut à l'appartenance de Dk\mathrm D_k au plan, et la colinéarité avec n⃗\vec n conduit à une contradiction.

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Source : sujet officiel de l'épreuve de spécialité mathématiques du baccalauréat, session 2026 (Métropole, 17 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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