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

Fiche 4 : problèmes classiques d'orthogonalité et de distances

Six exercices de synthèse, les grands classiques du chapitre :

  • la diagonale d'un cube, un plan, une distance et un volume ;
  • un tétraèdre régulier inscrit dans un cube ;
  • l'aire d'un triangle dans l'espace ;
  • le centre d'une sphère passant par quatre points (points équidistants) ;
  • des scripts Python ;
  • vrai/faux.

Toutes les corrections sont rédigées comme on l'attend au bac :

  • repère orthonormé déclaré, coordonnées écrites ;
  • vecteur normal justifié, équation vérifiée ;
  • projeté orthogonal et distance recoupés ;
  • conclusion en valeur exacte puis approchée.

💡 Comment attaquer un problème d'orthogonalité

  1. Place un repère orthonormé adapté : sommet du solide comme origine, arêtes comme axes.
  2. Écris les coordonnées de tous les points utiles.
  3. Pour une orthogonalité, calcule un produit scalaire nul.
  4. Pour une distance à un plan, cherche l'équation du plan (vecteur normal puis un point) puis la formule.
  5. Pour un volume, utilise 13×\dfrac13\times aire de la base ×\times hauteur, et recoupe avec une autre base si possible.

⚠️ Les pièges classiques

  • Prendre un repère non orthonormé pour appliquer les formules.
  • Confondre distance d'un point à un plan et distance de ce point à un point du plan.
  • Oublier de dire que la hauteur d'un tétraèdre est la distance du sommet au plan de la base.
  • Ne pas vérifier l'équation d'un plan avec tous ses points.

Exercice 1 (★★★) : la diagonale d'un cube, un plan, un volume

ABCDEFGHABCDEFGH est un cube d'arête 11. On munit l'espace du repère orthonormé (A ;AB→,AD→,AE→)\left(A\,;\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AD},\overrightarrow{AE}\right).

1. Montrer que (AG)(AG) est orthogonale au plan (BDE)(BDE) et déterminer une équation de ce plan.

2. Déterminer le projeté orthogonal KK de AA sur (BDE)(BDE) et la distance de AA à ce plan.

3. Calculer l'aire du triangle BDEBDE.

4. En déduire le volume du tétraèdre ABDEABDE, puis retrouver ce volume avec la base ABDABD.

5. Le plan (CFH)(CFH) a pour équation x+y+z−2=0x+y+z-2=0. Calculer la distance entre les plans (BDE)(BDE) et (CFH)(CFH).

✏️ Correction de la question 1

AG→(1 ;1 ;1)\overrightarrow{AG}(1\,;1\,;1), BD→(−1 ;1 ;0)\overrightarrow{BD}(-1\,;1\,;0), BE→(−1 ;0 ;1)\overrightarrow{BE}(-1\,;0\,;1).

AG→⋅BD→=−1+1+0=0\overrightarrow{AG}\cdot\overrightarrow{BD}=-1+1+0=0 et AG→⋅BE→=−1+0+1=0\overrightarrow{AG}\cdot\overrightarrow{BE}=-1+0+1=0.

Les vecteurs BD→\overrightarrow{BD} et BE→\overrightarrow{BE} ne sont pas colinéaires.

✅ (AG)(AG) est orthogonale au plan (BDE)(BDE), et n⃗(1 ;1 ;1)\vec n(1\,;1\,;1) est un vecteur normal.

Une équation est x+y+z+d=0x+y+z+d=0. Comme B(1 ;0 ;0)∈(BDE)B(1\,;0\,;0)\in(BDE) : 1+d=01+d=0, donc d=−1d=-1.

✅ (BDE): x+y+z−1=0(BDE):\ x+y+z-1=0

Vérification : D(0 ;1 ;0)D(0\,;1\,;0) : 1−1=01-1=0 ✓ et E(0 ;0 ;1)E(0\,;0\,;1) : 1−1=01-1=0 ✓

✏️ Correction de la question 2

K=A+kn⃗=(k ;k ;k)K=A+k\vec n=(k\,;k\,;k). Comme K∈(BDE)K\in(BDE) : 3k−1=03k-1=0, donc k=13k=\dfrac13.

✅ K(13 ;13 ;13)K\left(\dfrac13\,;\dfrac13\,;\dfrac13\right)

La distance est AK=∣k∣ ∥n⃗∥=133AK=|k|\,\|\vec n\|=\dfrac13\sqrt3.

✅ d(A,(BDE))=33d(A,(BDE))=\dfrac{\sqrt3}3

Contrôle avec la formule : ∣0+0+0−1∣3=13=33\dfrac{|0+0+0-1|}{\sqrt3}=\dfrac1{\sqrt3}=\dfrac{\sqrt3}3 ✓

✏️ Correction de la question 3

BD=BE=DE=2BD=BE=DE=\sqrt2 : ce sont des diagonales de faces du cube. Le triangle BDEBDE est équilatéral de côté 2\sqrt2.

Son aire est 34×(2)2=34×2\dfrac{\sqrt3}4\times\left(\sqrt2\right)^2=\dfrac{\sqrt3}4\times2.

✅ A(BDE)=32\mathcal A(BDE)=\dfrac{\sqrt3}2

✏️ Correction de la question 4

La hauteur du tétraèdre ABDEABDE issue de AA est la distance de AA au plan de la base (BDE)(BDE), soit 33\dfrac{\sqrt3}3.

V=13×A(BDE)×AK=13×32×33=13×36V=\dfrac13\times\mathcal A(BDE)\times AK=\dfrac13\times\dfrac{\sqrt3}2\times\dfrac{\sqrt3}3=\dfrac13\times\dfrac36

✅ V=16V=\dfrac16

Avec la base ABDABD. Le triangle ABDABD est rectangle isocèle en AA : son aire est 12×1×1=12\dfrac12\times1\times1=\dfrac12. La hauteur issue de EE est AE=1AE=1 (car (AE)(AE) est orthogonale au plan (ABD)(ABD)).

V=13×12×1V=\dfrac13\times\dfrac12\times1

✅ V=16V=\dfrac16 ✓

✏️ Correction de la question 5

Les plans (BDE)(BDE) et (CFH)(CFH) ont pour équations x+y+z−1=0x+y+z-1=0 et x+y+z−2=0x+y+z-2=0 : ils ont le même vecteur normal, donc ils sont parallèles.

A∈(BDE)A\in(BDE) n'est pas dans le plan (CFH)(CFH). Le point B(1 ;0 ;0)∈(BDE)B(1\,;0\,;0)\in(BDE) :

d=∣1+0+0−2∣3=13d=\dfrac{|1+0+0-2|}{\sqrt3}=\dfrac1{\sqrt3}

✅ La distance entre les plans est 33\dfrac{\sqrt3}3.

Cohérence avec l'exercice du chapitre précédent : la diagonale [AG][AG], de longueur 3\sqrt3, est coupée en trois segments égaux de longueur 33\dfrac{\sqrt3}3 par les deux plans.


Exercice 2 (★★★) : un tétraèdre régulier dans un cube

Dans le cube d'arête 11 du repère orthonormé (A ;AB→,AD→,AE→)\left(A\,;\overrightarrow{AB},\overrightarrow{AD},\overrightarrow{AE}\right), on considère le tétraèdre ACFHACFH.

1. Montrer que ACFHACFH est un tétraèdre régulier.

2. Montrer que (AF)(AF) et (CH)(CH) sont orthogonales.

3. Calculer la distance de AA au plan (CFH)(CFH) et le volume de ACFHACFH.

✏️ Correction de l'exercice 2

Coordonnées : A(0 ;0 ;0)A(0\,;0\,;0), C(1 ;1 ;0)C(1\,;1\,;0), F(1 ;0 ;1)F(1\,;0\,;1), H(0 ;1 ;1)H(0\,;1\,;1).

Question 1

Les six arêtes sont des diagonales de faces du cube :

AC=1+1+0=2AC=\sqrt{1+1+0}=\sqrt2, AF=1+0+1=2AF=\sqrt{1+0+1}=\sqrt2, AH=0+1+1=2AH=\sqrt{0+1+1}=\sqrt2

CF=0+1+1=2CF=\sqrt{0+1+1}=\sqrt2, CH=1+0+1=2CH=\sqrt{1+0+1}=\sqrt2, FH=1+1+0=2FH=\sqrt{1+1+0}=\sqrt2

✅ Toutes les arêtes mesurent 2\sqrt2 : ACFHACFH est un tétraèdre régulier.

Question 2

AF→(1 ;0 ;1)\overrightarrow{AF}(1\,;0\,;1) et CH→(−1 ;0 ;1)\overrightarrow{CH}(-1\,;0\,;1).

AF→⋅CH→=−1+0+1=0\overrightarrow{AF}\cdot\overrightarrow{CH}=-1+0+1=0

✅ (AF)(AF) et (CH)(CH) sont orthogonales (elles ne sont pas sécantes : arêtes opposées).

Question 3

Le plan (CFH)(CFH) a pour équation x+y+z−2=0x+y+z-2=0 : CC : 1+1+0−2=01+1+0-2=0 ✓, FF : 1+0+1−2=01+0+1-2=0 ✓, HH : 0+1+1−2=00+1+1-2=0 ✓.

d(A,(CFH))=∣−2∣3d(A,(CFH))=\dfrac{|-2|}{\sqrt3}

✅ d(A,(CFH))=233d(A,(CFH))=\dfrac{2\sqrt3}3

Le triangle CFHCFH est équilatéral de côté 2\sqrt2 : son aire est 34×2=32\dfrac{\sqrt3}4\times2=\dfrac{\sqrt3}2.

V=13×32×233=13×66V=\dfrac13\times\dfrac{\sqrt3}2\times\dfrac{2\sqrt3}3=\dfrac13\times\dfrac{6}{6}

✅ V=13V=\dfrac13

Contrôle : le volume du cube (égal à 11) moins les quatre coins ABCFABCF, ACDHACDH, AEFHAEFH, CFGHCFGH, de volume 16\dfrac16 chacun, vaut 1−46=131-\dfrac46=\dfrac13 ✓


Exercice 3 (★★) : l'aire d'un triangle dans l'espace

On donne A(1 ;2 ;0)A(1\,;2\,;0), B(3 ;1 ;−1)B(3\,;1\,;-1), C(2 ;4 ;1)C(2\,;4\,;1) (exercice 3 de la fiche 1). Calculer l'aire du triangle ABCABC.

✏️ Correction de l'exercice 3

D'après la fiche 1 : AB=AC=6AB=AC=\sqrt6 et cos⁡BAC^=−16\cos\widehat{BAC}=-\dfrac16.

Comme BAC^∈[0 ;π]\widehat{BAC}\in[0\,;\pi], sin⁡BAC^≥0\sin\widehat{BAC}\ge0 et sin⁡2BAC^=1−136=3536\sin^2\widehat{BAC}=1-\dfrac1{36}=\dfrac{35}{36}. Donc sin⁡BAC^=356\sin\widehat{BAC}=\dfrac{\sqrt{35}}6.

L'aire d'un triangle est 12 AB×AC×sin⁡BAC^\dfrac12\,AB\times AC\times\sin\widehat{BAC} :

A=12×6×6×356=12×6×356\mathcal A=\dfrac12\times\sqrt6\times\sqrt6\times\dfrac{\sqrt{35}}6=\dfrac12\times6\times\dfrac{\sqrt{35}}6

✅ A=352≈2,96\mathcal A=\dfrac{\sqrt{35}}2\approx2{,}96

Formule utile : A=12AB2 AC2−(AB→⋅AC→)2=1236−1\mathcal A=\dfrac12\sqrt{AB^2\,AC^2-\left(\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}\right)^2}=\dfrac12\sqrt{36-1} ✓


Exercice 4 (★★★) : des points équidistants

On donne A(0 ;0 ;0)A(0\,;0\,;0), B(2 ;0 ;0)B(2\,;0\,;0), C(0 ;2 ;0)C(0\,;2\,;0), D(0 ;0 ;2)D(0\,;0\,;2).

1. Déterminer une équation du plan médiateur de [AB][AB], de [AC][AC] et de [AD][AD].

2. En déduire le point Ω\Omega équidistant de AA, BB, CC, DD et la distance ΩA\Omega A.

✏️ Correction de l'exercice 4

Question 1

Le plan médiateur de [AB][AB] est l'ensemble des points M(x ;y ;z)M(x\,;y\,;z) tels que MA=MBMA=MB, c'est-à-dire MA2=MB2MA^2=MB^2 :

x2+y2+z2=(x−2)2+y2+z2x^2+y^2+z^2=(x-2)^2+y^2+z^2

0=−4x+40=-4x+4

✅ Plan médiateur de [AB][AB] : x=1x=1

De même, MA2=MC2MA^2=MC^2 donne 0=−4y+40=-4y+4 et MA2=MD2MA^2=MD^2 donne 0=−4z+40=-4z+4.

✅ Plans médiateurs de [AC][AC] et [AD][AD] : y=1y=1 et z=1z=1

Question 2

Un point équidistant de AA, BB, CC, DD est dans les trois plans médiateurs : x=1x=1, y=1y=1, z=1z=1.

✅ Ω(1 ;1 ;1)\Omega(1\,;1\,;1)

La distance est ΩA=1+1+1\Omega A=\sqrt{1+1+1}.

✅ ΩA=3\Omega A=\sqrt3

Vérification : ΩB=1+1+1\Omega B=\sqrt{1+1+1}, ΩC=3\Omega C=\sqrt3, ΩD=3\Omega D=\sqrt3 ✓. La sphère de centre Ω\Omega et de rayon 3\sqrt3 passe par les quatre points.


Exercice 5 (★★) : Python

On utilise les fonctions du cours :

from math import sqrt, acos, degrees

def produit_scalaire(u, v):
    return u[0]*v[0] + u[1]*v[1] + u[2]*v[2]

def norme(u):
    return sqrt(produit_scalaire(u, u))

def angle(u, v):
    return degrees(acos(produit_scalaire(u, v) / (norme(u) * norme(v))))

def distance_plan(M, a, b, c, d):
    return abs(a*M[0] + b*M[1] + c*M[2] + d) / sqrt(a*a + b*b + c*c)

1. Que renvoient angle((1,2,2), (2,-3,6)) et distance_plan((2,3,4), 2, -2, 1, -3) ? Retrouver ces valeurs par le calcul.

2. Écrire un script qui compte les points à coordonnées entières comprises entre 00 et 22 appartenant au plan x+y+z−3=0x+y+z-3=0.

✏️ Correction de l'exercice 5

Question 1

angle((1,2,2), (2,-3,6)) renvoie environ 67.6 : c'est l'angle de l'exercice 2 de la fiche 1 (arccos⁡821≈67,6∘\arccos\dfrac8{21}\approx67{,}6^\circ).

distance_plan((2,3,4), 2, -2, 1, -3) renvoie environ 0.3333 : c'est 13\dfrac13, la distance de l'exercice 3 de la fiche 3.

✅ Les valeurs du script coïncident avec les calculs.

Question 2

from itertools import product

compteur = 0
for (x, y, z) in product(range(3), repeat=3):
    if x + y + z - 3 == 0:
        compteur = compteur + 1
print(compteur)

La fonction product parcourt les 33=273^3=27 triplets de {0,1,2}3\{0{,}1{,}2\}^3.

✅ Le script affiche 77.

Les points sont (1,1,1)(1{,}1{,}1) et les six permutations de (0,1,2)(0{,}1{,}2). On peut le vérifier : x+y+z=3x+y+z=3 avec 0≤x,y,z≤20\le x,y,z\le2 impose soit trois 11, soit un 00, un 11 et un 22.


Exercice 6 (★★) : vrai ou faux

Justifier chaque réponse :

1. Les arêtes opposées d'un tétraèdre régulier sont orthogonales.

2. L'aire d'un triangle ABCABC est 12 AB→⋅AC→\dfrac12\,\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}.

3. Dans un cube, la diagonale [AG][AG] est orthogonale au plan (BDE)(BDE).

4. Le volume d'un tétraèdre est la moitié du produit de l'aire de la base par la hauteur.

✏️ Correction de l'exercice 6

Affirmation 1

C'est le résultat de l'exercice 6 de la fiche 1 : AB→⋅CD→=0\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{CD}=0.

✅ Vrai.

Affirmation 2

Le produit scalaire AB→⋅AC→=AB×AC×cos⁡A^\overrightarrow{AB}\cdot\overrightarrow{AC}=AB\times AC\times\cos\widehat A contient un cosinus, alors que l'aire contient un sinus. Contre-exemple : triangle rectangle en AA : le produit scalaire est nul, l'aire ne l'est pas.

❌ Faux.

Affirmation 3

C'est la question 1 de l'exercice 1.

✅ Vrai.

Affirmation 4

Le volume est le tiers du produit de l'aire de la base par la hauteur (voir l'exercice 1 : 13×32×33=16\dfrac13\times\dfrac{\sqrt3}2\times\dfrac{\sqrt3}3=\dfrac16).

❌ Faux.


🎯 Ce qui peut tomber au bac

  • Un plan défini par un vecteur normal dans un cube, avec la diagonale (exercice 1).
  • Une distance à un plan et un volume de tétraèdre, avec recoupement (exercices 1 et 2).
  • Des points équidistants par les plans médiateurs (exercice 4).
  • Un script Python de produit scalaire, d'angle ou de distance (exercice 5).

QCM : vérifie tes acquis

10 questions, une seule bonne réponse chacune. Choisis une réponse : la correction s'affiche tout de suite. Ton score est enregistré dans Mon espace.

Question 1 sur 10

Dans un cube d'arête 11, quelle est la distance de AA au plan (BDE)(BDE) d'équation x+y+z−1=0x+y+z-1=0 ?

Question 2 sur 10

Le volume d'un tétraèdre est :

Question 3 sur 10

Dans un tétraèdre régulier, deux arêtes opposées sont :

Question 4 sur 10

Pour trouver un point équidistant de plusieurs points, on utilise :

Question 5 sur 10

L'aire d'un triangle ABCABC vaut :

Question 6 sur 10

Dans l'exercice 1, quelle est l'équation du plan (BDE)(BDE) dans le cube d'arête 11 ?

Question 7 sur 10

Dans l'exercice 2 (tétraèdre régulier ACFHACFH dans un cube d'arête 11), quelle est la longueur d'une arête ?

Question 8 sur 10

Dans l'exercice 3, quelle est l'aire du triangle ABCABC avec A(1 ;2 ;0)A(1\,;2\,;0), B(3 ;1 ;−1)B(3\,;1\,;-1), C(2 ;4 ;1)C(2\,;4\,;1) ?

Question 9 sur 10

Dans l'exercice 4, avec A(0 ;0 ;0)A(0\,;0\,;0), B(2 ;0 ;0)B(2\,;0\,;0), C(0 ;2 ;0)C(0\,;2\,;0), D(0 ;0 ;2)D(0\,;0\,;2), quel est le point Ω\Omega équidistant des quatre points ?

Question 10 sur 10

Dans l'exercice 5, le script Python compte les points à coordonnées entières entre 00 et 22 du plan x+y+z−3=0x+y+z-3=0. Combien en affiche-t-il ?

Un doute sur ce chapitre ? On en parle ensemble, sans engagement.

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