Terminale Spé Maths / Chapitre 10 : Vecteurs, droites et plans de l'espace
Vecteurs, droites et plans de l'espace : exercices type bac
Trois exercices complets, dans le style de l'épreuve du bac :
- un cube muni d'un repère : coordonnées, parallélogramme, coplanarité, droites sécantes et non coplanaires ;
- un tétraèdre et sa base : centre de gravité, alignement, droites sécantes ;
- deux droites avec un paramètre, un plan, et un script Python.
Les corrections sont rédigées comme on l'attend d'une excellente copie de bac :
- vecteurs et coordonnées écrits ;
- relation de colinéarité ou de coplanarité exhibée ;
- système résolu et troisième équation vérifiée ;
- position relative nommée, point d'intersection donné ;
- conclusion en contexte.
Elles suivent le Guide de rédaction général et celui du chapitre. Durée conseillée : 30 minutes par exercice, sur papier, sans regarder la correction.
💡 Comment t'entraîner efficacement
- Chronomètre-toi et rédige tout, comme le jour du bac.
- Pour chaque question sur des points ou des droites, commence par écrire les coordonnées des vecteurs dont tu as besoin.
- Pour un système, écris les trois équations, résous-en deux, vérifie la troisième.
- À la fin de chaque exercice, ouvre « Points clés attendus » : c'est la liste de ce que le correcteur cherche.
Exercice 1 : un cube, un repère, des milieux
est un cube. On munit l'espace du repère . On note le milieu de , le milieu de et le milieu de .
1. Donner les coordonnées des points , , .
2. Montrer que . En déduire la nature du quadrilatère et le parallélisme de et .
3. Les points , , , sont-ils coplanaires ?
4. Donner une représentation paramétrique des droites et . Montrer qu'elles sont sécantes et préciser leur point d'intersection .
5. Étudier la position relative des droites et .
✏️ Correction de la question 1
Dans le repère : , , , , , , , .
est le milieu de : .
✅
est le milieu de : .
✅
est le milieu de : .
✅
✏️ Correction de la question 2
.
.
✅
Donc est un parallélogramme. Comme il est plan, les points , , , sont coplanaires. Les vecteurs et sont égaux, donc colinéaires.
✅ est un parallélogramme et .
✏️ Correction de la question 3
et ne sont pas colinéaires (leurs coordonnées ne sont pas proportionnelles). On a .
Cherchons , tels que :
, ,
La première et la troisième donnent et . La deuxième donne : elle n'est pas vérifiée.
Le système n'a pas de solution.
✅ Les points , , , ne sont pas coplanaires.
✏️ Correction de la question 4
La droite passe par et a pour vecteur directeur .
✅
La droite passe par et a pour vecteur directeur .
✅
Les vecteurs directeurs et ne sont pas colinéaires : les droites ne sont pas parallèles.
Point commun. On résout , , .
La deuxième donne . La première donne . La troisième est vérifiée : .
✅ Les droites et sont sécantes au point , le centre du cube.
✏️ Correction de la question 5
La droite passe par et a pour vecteur directeur .
✅
Les vecteurs et ne sont pas colinéaires : les droites ne sont pas parallèles.
On résout , , . La première donne , la deuxième . La troisième donne : elle n'est pas vérifiée.
Le système n'a pas de solution.
✅ Les droites et sont non coplanaires.
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 1
• Q1 : coordonnées des milieux calculées avec la formule.
• Q2 : coordonnées des deux vecteurs, égalité, conclusion « parallélogramme donc plan », parallélisme.
• Q3 : vecteurs , non colinéaires, système écrit avec trois équations, la troisième non vérifiée, conclusion.
• Q4 : deux représentations paramétriques, vecteurs directeurs non colinéaires, deux paramètres différents, système résolu, troisième équation vérifiée, point donné.
• Q5 : même méthode, contradiction, conclusion « non coplanaires ».
Exercice 2 : un tétraèdre et son centre de gravité
est un tétraèdre. On note le milieu de , le milieu de et le centre de gravité du triangle , c'est-à-dire le point vérifiant .
On note le point défini par .
1. Justifier que est une base de l'espace.
2. Montrer que .
3. Montrer que les points , , sont alignés et exprimer en fonction de .
4. Montrer que est le milieu de .
5. En déduire que les droites et sont sécantes en .
✏️ Correction de la question 1
Les points , , , sont les sommets d'un tétraèdre : ils ne sont pas coplanaires. Donc les vecteurs , , ne sont pas coplanaires.
✅ est une base de l'espace.
✏️ Correction de la question 2
D'après Chasles, , et de même pour et . La relation devient :
Comme :
✅
✏️ Correction de la question 3
On a . Donc :
Les vecteurs et sont colinéaires.
✅ Les points , , sont alignés, et .
✏️ Correction de la question 4
est le milieu de : .
est le milieu de : .
Le milieu de vérifie :
✅ : est le milieu de .
✏️ Correction de la question 5
D'après la question 3, . D'après la question 4, .
✅ Le point est commun aux droites et .
Ces droites ne sont pas confondues. En effet, a pour coordonnées dans la base . Et a pour coordonnées .
Ces coordonnées ne sont pas proportionnelles (le rapport pour les deux premières, pour la troisième). Les vecteurs ne sont pas colinéaires.
✅ Les droites et sont sécantes en .
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 2
• Q1 : non-coplanarité des sommets d'un tétraèdre citée.
• Q2 : Chasles utilisé pour faire apparaître à partir de la définition de .
• Q3 : relation écrite, conclusion « colinéaires donc alignés ».
• Q4 : milieux exprimés dans la base, calcul du milieu de .
• Q5 : point commun et vecteurs directeurs non colinéaires (unicité de la décomposition dans la base).
Exercice 3 : deux droites avec un paramètre, un plan et Python
Dans un repère de l'espace, on considère les droites :
: ,
: , , où est un réel.
1. Montrer que, quel que soit , les droites et ne sont pas parallèles.
2. Déterminer la valeur de pour laquelle et sont sécantes. Donner alors les coordonnées de leur point d'intersection .
3. Pour cette valeur de , on note le plan contenant et . Le point appartient-il à ? Le point ?
4. On complète la fonction Python ci-dessous.
Quelles valeurs renvoie
sur_droite((5,0,1), (1,-2,3), (2,1,-1))etsur_droite((2,0,1), (1,-2,3), (2,1,-1))?Interpréter.
from fractions import Fraction def sur_droite(M, A, u): for i in range(3): if u[i] != 0: t = Fraction(M[i] - A[i], u[i]) break return all(A[j] + t*u[j] == M[j] for j in range(3))
✏️ Correction de la question 1
Les vecteurs directeurs sont et .
S'ils étaient colinéaires, il existerait tel que . La première coordonnée donnerait . La troisième donnerait : contradiction.
✅ Quel que soit , et ne sont pas colinéaires : et ne sont pas parallèles.
✏️ Correction de la question 2
On cherche et tels que :
, ,
La première et la troisième équation ne contiennent pas . La première donne . La troisième devient , soit , donc et .
La deuxième équation s'écrit alors , donc .
✅ Les droites sont sécantes si et seulement si .
Pour : .
✅
Vérification avec : ✓
✏️ Correction de la question 3
Pour , et sont sécantes en , non parallèles. Le plan passe par et est dirigé par et .
Le point . . On cherche , tels que :
, ,
La première donne . La troisième devient , donc et . La deuxième est vérifiée : ✓.
✅ .
Le point . . On cherche , :
, ,
La première et la troisième donnent et . La deuxième donne : elle n'est pas vérifiée.
✅ .
✏️ Correction de la question 4
Pour le premier appel, , , : la première coordonnée donne . On vérifie : ✓ et ✓.
✅ Le premier appel renvoie True.
Pour le second, : . La deuxième coordonnée : .
✅ Le second appel renvoie False.
Interprétation : le point est sur la droite, le point n'y est pas. On retrouve le résultat de la fiche 3 (exercice 1).
✏️ Points clés attendus pour l'exercice 3
• Q1 : non-colinéarité justifiée pour tout (la contradiction ne dépend pas de ).
• Q2 : système écrit, résolution avec les deux équations sans , puis la deuxième équation pour , point d'intersection vérifié.
• Q3 : plan défini par un point et deux vecteurs non colinéaires, système avec trois équations pour chaque point, conclusion pour chacun.
• Q4 : valeurs renvoyées justifiées et interprétées.
🎯 Les réflexes à retenir
- Une coplanarité se démontre en exhibant ; une non-coplanarité avec un système sans solution.
- Deux droites non parallèles ne sont sécantes que si le système a une solution : écris-le, résous-le, vérifie.
- Un paramètre se trouve avec les équations qui n'en dépendent pas, puis la dernière équation.
- Dans un tétraèdre, la base donne l'unicité de la décomposition.
- Conclus chaque question avec la position relative ou la propriété.
Aller plus loin avec les vrais sujets
Quand tu es à l'aise avec ce chapitre, entraîne-toi sur les exercices de géométrie dans l'espace des sujets officiels des années précédentes.
Ils sont disponibles sur le site de l'APMEP.
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