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Exercices corrigés : Géométrie dans l'espace et produit scalaire — Terminale spécialité

Besoin de revoir la leçon avant de te lancer ? Cours et fiche de révision : Géométrie dans l'espace et produit scalaire

Niveau
Terminale spécialité
Chapitre
Géométrie dans l'espace et produit scalaire
Nombre d'exercices
40 exercices corrigés
Difficulté
Facile à type bac

Mis à jour le

Dans l'espace muni d'un repère, un point a trois coordonnées (x,y,z) et un vecteur de même. On manipule coordonnées, normes, produit scalaire, représentations paramétriques de droites et équations cartésiennes de plans (via un vecteur normal). Le produit scalaire vecteur u · vecteur v =xx'+yy'+zz' s'annule exactement quand deux vecteurs sont orthogonaux : il donne des angles, un vecteur normal à un plan et des distances. Ces exercices corrigés couvrent vecteurs, colinéarité et coplanarité, droites et plans, puis produit scalaire, orthogonalité, angles, vecteur normal, équations de plans et distances, du plus simple au type bac. Difficulté croissante, correction d'un clic.

Cherche d'abord par toi-même, puis clique sur « Voir la correction » : chaque étape est détaillée avec rappels de cours et erreurs fréquentes à éviter.

1

Exercice 1 — Coordonnées d'un vecteur

Application directe

Soit A(1 ;2 ;3) et B(4 ;0 ;5).

Déterminer les coordonnées du vecteur vecteur AB.

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Correction détaillée

  1. 1

    vecteur AB a pour coordonnées (x_B-x_A ; y_B-y_A ; z_B-z_A).

  2. 2

    vecteur AB =(4-1 ; 0-2 ; 5-3)=(3 ;-2 ;2).

Réponse : vecteur AB =(3 ;-2 ;2).

Rappel de cours : Coordonnées d'un vecteur : (arrivée - départ) sur chaque axe. vecteur AB =(x_B-x_A ;y_B-y_A ;z_B-z_A).

2

Exercice 2 — Norme d'un vecteur

Application directe

Calculer la norme du vecteur vecteur u =(2 ;-1 ;2).

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Correction détaillée

  1. 1

    ‖ vecteur u ‖=√(x²+y²+z²).

  2. 2

    ‖ vecteur u ‖=√(2²+(-1)²+2²)=√(4+1+4)= √9 =3.

Réponse : ‖ vecteur u ‖=3.

Rappel de cours : Norme (longueur) : ‖ vecteur u ‖=√(x²+y²+z²). C'est le théorème de Pythagore en 3D.

3

Exercice 3 — Lire les coordonnées des sommets d'un cube

Application directe

ABCDEFGH est un cube.

On se place dans le repère (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ).

À l'aide de la figure, donner les coordonnées des sommets B, D, F et G.

ABCDEFGH
Cube ABCDEFGH dans le repère (A ; AB, AD, AE)
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  1. 1

    Dans ce repère, A est l'origine et les arêtes [AB], [AD], [AE] portent les vecteurs de base.

    Chaque coordonnée vaut 0 ou 1 selon que le sommet est « au départ » ou « au bout » de l'arête.

  2. 2

    B est au bout de vecteur AB : B(1 ;0 ;0).

    D est au bout de vecteur AD : D(0 ;1 ;0).

  3. 3

    F est au-dessus de B (d'une unité selon vecteur AE) : F(1 ;0 ;1).

    G est le sommet opposé à A : G(1 ;1 ;1).

Réponse : B(1 ;0 ;0), D(0 ;1 ;0), F(1 ;0 ;1), G(1 ;1 ;1).

Rappel de cours : Dans le repère (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ) d'un cube, les huit sommets ont des coordonnées formées de 0 et de 1.

4

Exercice 4 — Vecteurs colinéaires

Application directe

Les vecteurs vecteur u (2 ;-4 ;6) et vecteur v (-1 ;2 ;-3) sont-ils colinéaires ?

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Correction détaillée

  1. 1

    On cherche k tel que vecteur u =k vecteur v : 2=-k, -4=2k, 6=-3k.

    Les trois égalités donnent k=-2.

  2. 2

    Donc vecteur u =-2 vecteur v.

Réponse : Oui : vecteur u =-2 vecteur v.

Rappel de cours : Dans l'espace, il faut le même coefficient sur les trois coordonnées.

5

Exercice 5 — Produit scalaire par coordonnées

Application directe

Calculer vecteur u · vecteur v avec vecteur u =(3 ;0 ;-2) et vecteur v =(1 ;4 ;2).

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  1. 1

    vecteur u · vecteur v =xx'+yy'+zz'.

  2. 2

    =3× 1+0× 4+(-2)× 2=3+0-4=-1.

Réponse : vecteur u · vecteur v =-1.

Rappel de cours : Produit scalaire en repère orthonormé : on multiplie les coordonnées deux à deux et on additionne.

6

Exercice 6 — Produit scalaire d'un vecteur par lui-même

Application directe

Calculer vecteur u · vecteur u pour vecteur u =(2 ;-1 ;2), et en déduire ‖ vecteur u ‖.

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  1. 1

    vecteur u · vecteur u =2²+(-1)²+2²=4+1+4=9.

  2. 2

    Or vecteur u · vecteur u =‖ vecteur u ‖², donc ‖ vecteur u ‖= √9 =3.

Réponse : vecteur u · vecteur u =9 et ‖ vecteur u ‖=3.

Rappel de cours : vecteur u · vecteur u =‖ vecteur u ‖² : le produit scalaire d'un vecteur par lui-même est le carré de sa norme.

7

Exercice 7 — Orthogonalité

Application directe

Les vecteurs vecteur u =(1 ;2 ;2) et vecteur v =(2 ;1 ;-2) sont-ils orthogonaux ?

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Correction détaillée

  1. 1

    vecteur u · vecteur v =1× 2+2× 1+2×(-2)=2+2-4=0.

  2. 2

    Le produit scalaire est nul : vecteur u et vecteur v sont orthogonaux.

Réponse : Oui, vecteur u ⊥ vecteur v (vecteur u · vecteur v =0).

Rappel de cours : vecteur u ⊥ vecteur v ⇔ vecteur u · vecteur v =0.

8

Exercice 8 — Vecteur unitaire

Application directe

Soit vecteur u (1 ;2 ;2).

Calculer ‖ vecteur u ‖ et donner un vecteur unitaire de même direction et de même sens.

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Correction détaillée

  1. 1

    ‖ vecteur u ‖=√(1+4+4)=sqrt9=3.

  2. 2

    1/3 vecteur u =(1/3 ;2/3 ;2/3) a pour norme 1.

Réponse : ‖ vecteur u ‖=3 ; vecteur unitaire (1/3 ;2/3 ;2/3).

Rappel de cours : ‖ vecteur u ‖=√(x²+y²+z²) dans un repère orthonormé.

9

Exercice 9 — Produit scalaire (coordonnées)

À maîtriser

Calculer vecteur u · vecteur v avec vecteur u =(1 ;2 ;-1) et vecteur v =(3 ;-1 ;4).

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Correction détaillée

  1. 1

    Produit scalaire : vecteur u · vecteur v =x_ux_v+y_uy_v+z_uz_v.

  2. 2

    =1× 3+2×(-1)+(-1)× 4=3-2-4=-3.

Réponse : vecteur u · vecteur v =-3.

Rappel de cours : Produit scalaire en coordonnées : on multiplie composante par composante et on additionne.

10

Exercice 10 — Tester l'orthogonalité

À maîtriser

Les vecteurs vecteur u =(2 ;1 ;-1) et vecteur v =(1 ;-1 ;1) sont-ils orthogonaux ?

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Correction détaillée

  1. 1

    Deux vecteurs sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire est nul.

  2. 2

    vecteur u · vecteur v =2× 1+1×(-1)+(-1)× 1=2-1-1=0.

  3. 3

    Le produit scalaire est nul : vecteur u et vecteur v sont orthogonaux.

Réponse : Oui, vecteur u ⊥ vecteur v (vecteur u · vecteur v =0).

Rappel de cours : vecteur u ⊥ vecteur v ⇔ vecteur u · vecteur v =0. Critère central pour l'orthogonalité dans l'espace.

11

Exercice 11 — Milieux dans le cube

À maîtriser

ABCDEFGH est un cube, repère (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ).

On note I le milieu de [EG] et J le milieu de [BD].

Déterminer les coordonnées de I et J.

ABCDEFGHIJ
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Correction détaillée

  1. 1

    On utilise les coordonnées des sommets : E(0 ;0 ;1), G(1 ;1 ;1), B(1 ;0 ;0), D(0 ;1 ;0).

  2. 2

    I milieu de [EG] : I ((0+1)/2 ;(0+1)/2 ;(1+1)/2)=I(0,5 ;0,5 ;1).

  3. 3

    J milieu de [BD] : J ((1+0)/2 ;(0+1)/2 ;(0+0)/2)=J(0,5 ;0,5 ;0).

  4. 4

    I et J ont les mêmes abscisse et ordonnée : I est exactement au-dessus de J, d'une unité (la hauteur du cube).

Réponse : I(0,5 ;0,5 ;1) et J(0,5 ;0,5 ;0).

Rappel de cours : Milieu : moyenne des coordonnées. Les centres des deux faces horizontales d'un cube sont à la même verticale.

12

Exercice 12 — Trois points alignés ?

À maîtriser

Les points A(1 ;2 ;0), B(3 ;1 ;2) et C(7 ;-1 ;6) sont-ils alignés ?

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  1. 1

    vecteur AB (2 ;-1 ;2) et vecteur AC (6 ;-3 ;6).

  2. 2

    vecteur AC =3 vecteur AB : les vecteurs sont colinéaires et ont le point A en commun.

Réponse : Oui, A, B, C sont alignés (vecteur AC =3 vecteur AB).

Rappel de cours : A, B, C alignés ⇔ vecteur AB et vecteur AC colinéaires.

13

Exercice 13 — Produit scalaire avec norme et angle

À maîtriser

Deux vecteurs vérifient ‖ vecteur u ‖=3, ‖ vecteur v ‖=4 et l'angle entre eux mesure 60°.

Calculer vecteur u · vecteur v.

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  1. 1

    Formule : vecteur u · vecteur v =‖ vecteur u ‖ ‖ vecteur v ‖cosθ.

  2. 2

    =3× 4×cos 60°=12× 0,5=6.

Réponse : vecteur u · vecteur v =6.

Rappel de cours : vecteur u · vecteur v =‖ vecteur u ‖ ‖ vecteur v ‖cosθ, où θ est l'angle entre les vecteurs. cos 60°=0,5.

14

Exercice 14 — Trouver une coordonnée pour l'orthogonalité

À maîtriser

Déterminer a pour que vecteur u =(1 ;a ;3) et vecteur v =(2 ;-1 ;1) soient orthogonaux.

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Correction détaillée

  1. 1

    Orthogonaux ⇔ vecteur u · vecteur v =0.

  2. 2

    vecteur u · vecteur v =1× 2+a×(-1)+3× 1=2-a+3=5-a.

  3. 3

    5-a=0, donc a=5.

Réponse : a=5.

Rappel de cours : On pose le produit scalaire égal à 0 et on résout l'équation en l'inconnue.

15

Exercice 15 — Calcul d'un angle

À maîtriser

Calculer le cosinus de l'angle entre vecteur u =(1 ;0 ;0) et vecteur v =(1 ;1 ;0).

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Correction détaillée

  1. 1

    cosθ=( vecteur u · vecteur v )/(‖ vecteur u ‖ ‖ vecteur v ‖).

  2. 2

    vecteur u · vecteur v =1, ‖ vecteur u ‖=1, ‖ vecteur v ‖=√(1²+1²)= √2.

  3. 3

    cosθ=1/(1× √2 )=1/( √2 )=( √2 )/2, soit θ=45°.

Réponse : cosθ=( √2 )/2, donc θ=45°.

Rappel de cours : cosθ=( vecteur u · vecteur v )/(‖ vecteur u ‖‖ vecteur v ‖). On reconnaît sqrt2/2 comme cosinus de 45°.

16

Exercice 16 — Triangle rectangle dans l'espace

À maîtriser

Soient A(1 ;0 ;0), B(0 ;1 ;0) et C(1 ;0 ;2).

Montrer que le triangle ABC est rectangle en A et calculer son aire.

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Correction détaillée

  1. 1

    vecteur AB (-1 ;1 ;0), vecteur AC (0 ;0 ;2).

    vecteur AB · vecteur AC =0+0+0=0 : (AB)⊥(AC), le triangle est rectangle en A.

  2. 2

    AB=sqrt2, AC=2.

    Aire =(AB× AC)/2=2sqrt2/2=sqrt2.

Réponse : Rectangle en A ; aire sqrt2.

Rappel de cours : Deux vecteurs non nuls sont orthogonaux si et seulement si leur produit scalaire est nul.

17

Exercice 17 — Représentation paramétrique d'une droite

Type contrôle

Donner une représentation paramétrique de la droite passant par A(1 ;0 ;2) et de vecteur directeur vecteur u =(2 ;-1 ;3).

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Correction détaillée

  1. 1

    Un point M(x;y;z) est sur la droite s'il existe t∈ℝ tel que vecteur AM =t vecteur u.

  2. 2

    Cela donne : x=1+2t ; y=0-t ; z=2+3t avec t∈ℝ.

Réponse : x=1+2t ; y=-t ; z=2+3t, t∈ℝ.

Rappel de cours : Droite par A de vecteur directeur vecteur u : M=A+t vecteur u, une équation par coordonnée avec le même paramètre t.

18

Exercice 18 — Point appartenant à une droite

Type contrôle

La droite a pour représentation x=1+2t ; y=-t ; z=2+3t.

Le point B(5 ;-2 ;8) appartient-il à cette droite ?

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Correction détaillée

  1. 1

    On cherche t tel que les trois équations soient vérifiées.

    De x=5 : 1+2t=5, donc t=2.

  2. 2

    On teste cette valeur : y=-2 ✓ (-t=-2) et z=2+3× 2=8 ✓.

  3. 3

    La même valeur t=2 convient pour les trois coordonnées : B appartient à la droite.

Réponse : Oui, B est sur la droite (pour t=2).

Rappel de cours : Un point est sur la droite s'il existe UNE valeur de t vérifiant les trois équations à la fois.

Erreur fréquente : Il faut la MÊME valeur de t pour les trois coordonnées. Si t diffère, le point n'est pas sur la droite.

19

Exercice 19 — Vecteur normal et équation de plan

Type contrôle

Donner une équation cartésienne du plan passant par A(1 ;2 ;-1) et de vecteur normal vecteur n =(2 ;-1 ;3).

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Correction détaillée

  1. 1

    Un plan de vecteur normal vecteur n =(a;b;c) a une équation ax+by+cz+d=0, ici 2x-y+3z+d=0.

  2. 2

    On détermine d en injectant A : 2× 1-2+3×(-1)+d=0, soit 2-2-3+d=0, donc d=3.

  3. 3

    Équation : 2x-y+3z+3=0.

Réponse : 2x-y+3z+3=0.

Rappel de cours : Les coefficients (a;b;c) de l'équation ax+by+cz+d=0 sont les coordonnées d'un vecteur normal au plan.

20

Exercice 20 — Diagonale et orthogonalité dans le cube

Type contrôle

ABCDEFGH est un cube, repère orthonormé (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ).

Démontrer que la grande diagonale (AG) est orthogonale à la diagonale (BD) de la face inférieure.

ABCDEFGH
Diagonales [AG] et [BD]
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Correction détaillée

  1. 1

    Coordonnées des sommets : A(0 ;0 ;0), G(1 ;1 ;1), B(1 ;0 ;0), D(0 ;1 ;0).

  2. 2

    vecteur AG =(1 ;1 ;1) et vecteur BD =(0-1 ;1-0 ;0-0)=(-1 ;1 ;0).

  3. 3

    Le repère étant orthonormé, on calcule le produit scalaire : vecteur AG · vecteur BD =1×(-1)+1× 1+1× 0=-1+1+0=0.

  4. 4

    Le produit scalaire est nul : les droites (AG) et (BD) sont orthogonales.

Réponse : vecteur AG · vecteur BD =0 : (AG)⊥(BD).

Rappel de cours : Dans un repère orthonormé, deux droites sont orthogonales lorsque le produit scalaire de leurs vecteurs directeurs est nul.

21

Exercice 21 — Vecteurs coplanaires

Type contrôle

Montrer que vecteur u (1 ;0 ;1), vecteur v (0 ;1 ;1) et vecteur w (2 ;3 ;5) sont coplanaires.

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Correction détaillée

  1. 1

    vecteur u et vecteur v ne sont pas colinéaires (vecteur u a une première coordonnée non nulle, vecteur v non).

  2. 2

    On cherche a, b tels que vecteur w =a vecteur u +b vecteur v =(a ;b ;a+b).

    Il faut a=2, b=3 et a+b=5 : cette dernière condition est vérifiée.

  3. 3

    Donc vecteur w =2 vecteur u +3 vecteur v : les trois vecteurs sont coplanaires.

Réponse : vecteur w =2 vecteur u +3 vecteur v : vecteurs coplanaires.

Rappel de cours : vecteur u, vecteur v, vecteur w coplanaires ⇔ l'un s'écrit comme combinaison linéaire des deux autres (non colinéaires).

22

Exercice 22 — Vecteur normal à un plan (2 vecteurs)

Type contrôle

Un plan contient les vecteurs vecteur u =(1 ;0 ;1) et vecteur v =(0 ;1 ;1).

Déterminer un vecteur normal vecteur n =(a ;b ;c) à ce plan.

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Correction détaillée

  1. 1

    vecteur n doit être orthogonal à vecteur u et à vecteur v : vecteur n · vecteur u =0 et vecteur n · vecteur v =0.

  2. 2

    vecteur n · vecteur u =a+c=0 et vecteur n · vecteur v =b+c=0.

    Donc a=-c et b=-c.

  3. 3

    En choisissant c=1 : vecteur n =(-1 ;-1 ;1) (ou tout vecteur colinéaire).

Réponse : vecteur n =(-1 ;-1 ;1) convient.

Rappel de cours : Un vecteur normal au plan est orthogonal à deux vecteurs directeurs : on résout le système de deux produits scalaires nuls.

23

Exercice 23 — Équation de plan par un point et une normale

Type contrôle

Donner une équation du plan passant par A(2 ;1 ;0) et de vecteur normal vecteur n =(3 ;-1 ;2).

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    Équation de la forme 3x-y+2z+d=0 (les coefficients sont ceux de vecteur n).

  2. 2

    A appartient au plan : 3× 2-1+2× 0+d=0, soit 6-1+d=0, donc d=-5.

  3. 3

    Équation : 3x-y+2z-5=0.

Réponse : 3x-y+2z-5=0.

Rappel de cours : Plan de normale (a;b;c) passant par A : ax+by+cz+d=0, avec d déterminé en injectant A.

24

Exercice 24 — Point dans un plan

Type contrôle

Le point B(1 ;2 ;3) appartient-il au plan P : 2x+y-z-1=0 ?

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Correction détaillée

  1. 1

    On remplace les coordonnées de B dans l'équation.

  2. 2

    2× 1+2-3-1=2+2-3-1=0.

  3. 3

    Le résultat est 0 : B appartient au plan P.

Réponse : Oui, B∈ P (l'équation est vérifiée : 0=0).

Rappel de cours : Un point est dans un plan si ses coordonnées vérifient l'équation cartésienne (on doit obtenir 0).

25

Exercice 25 — Projeté et calcul de longueur

Type contrôle

Avec A(0 ;0 ;0), B(2 ;0 ;0), C(2 ;3 ;0), calculer vecteur AB · vecteur AC et en déduire si l'angle BAĈ est aigu, droit ou obtus.

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Correction détaillée

  1. 1

    vecteur AB =(2;0;0) et vecteur AC =(2;3;0).

  2. 2

    vecteur AB · vecteur AC =2× 2+0× 3+0× 0=4.

  3. 3

    vecteur AB · vecteur AC =4>0 : l'angle BAĈ est aigu (le cosinus, de même signe que le produit scalaire, est positif).

Réponse : vecteur AB · vecteur AC =4>0 : angle aigu.

Rappel de cours : Signe du produit scalaire = signe du cosinus : >0 angle aigu, =0 angle droit, <0 angle obtus.

26

Exercice 26 — Plans perpendiculaires

Type contrôle

Les plans P:x+y+z=1 et Q:x-2y+z=3 sont-ils perpendiculaires ?

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Correction détaillée

  1. 1

    Vecteurs normaux : vecteur n _P(1 ;1 ;1) et vecteur n _Q(1 ;-2 ;1).

  2. 2

    vecteur n _P· vecteur n _Q=1-2+1=0 : les vecteurs normaux sont orthogonaux.

  3. 3

    Donc les plans P et Q sont perpendiculaires.

Réponse : Oui, P⊥ Q.

Rappel de cours : Deux plans sont perpendiculaires si et seulement si leurs vecteurs normaux sont orthogonaux.

27

Exercice 27 — Type bac : droite orthogonale à un plan

Type bac / défi

Soit le plan P : x+2y-z+3=0.

La droite D passe par A(0 ;0 ;3) et a pour vecteur directeur vecteur u =(1 ;2 ;-1).

Montrer que D est orthogonale à P.

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    Un vecteur normal de P se lit sur les coefficients : vecteur n =(1;2;-1).

  2. 2

    Le vecteur directeur de D est vecteur u =(1;2;-1).

  3. 3

    vecteur u = vecteur n : le vecteur directeur de la droite est colinéaire au vecteur normal du plan, donc D est orthogonale à P.

Réponse : vecteur u est colinéaire à vecteur n : la droite D est orthogonale au plan P.

Rappel de cours : Une droite est orthogonale à un plan ⇔ son vecteur directeur est colinéaire à un vecteur normal du plan.

28

Exercice 28 — Type bac : intersection droite-plan

Type bac / défi

Déterminer le point d'intersection de la droite x=1+t ; y=2t ; z=-t avec le plan P : x+y+z-4=0.

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    On remplace x,y,z (en fonction de t) dans l'équation du plan.

  2. 2

    (1+t)+(2t)+(-t)-4=0, soit 1+t+2t-t-4=0, donc 2t-3=0 et t=1,5.

  3. 3

    On reporte t=1,5 : x=2,5, y=3, z=-1,5.

Réponse : Le point d'intersection est (2,5 ;3 ;-1,5).

Rappel de cours : Intersection droite-plan : injecter la représentation paramétrique dans l'équation du plan, résoudre en t, puis calculer le point.

29

Exercice 29 — Type bac : triangle BDE équilatéral

Type bac / défi

ABCDEFGH est un cube d'arête 1, repère orthonormé (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ).

Démontrer que le triangle BDE est équilatéral.

ABCDEFGH
Triangle BDE
Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    Coordonnées : B(1 ;0 ;0), D(0 ;1 ;0), E(0 ;0 ;1).

  2. 2

    vecteur BD =(-1 ;1 ;0), donc BD=√((-1)²+1²+0²)=√(2).

  3. 3

    vecteur DE =(0 ;-1 ;1), donc DE=√(0²+(-1)²+1²)=√(2).

  4. 4

    vecteur BE =(-1 ;0 ;1), donc BE=√((-1)²+0²+1²)=√(2).

  5. 5

    Les trois côtés sont égaux (BD=DE=BE= √2) : le triangle BDE est équilatéral.

Réponse : BD=DE=BE= √2 : le triangle BDE est équilatéral.

Rappel de cours : Les diagonales des faces d'un cube d'arête a mesurent toutes a √2 : un triangle reliant trois de ces diagonales est équilatéral.

30

Exercice 30 — Type bac : distance entre deux points

Type bac / défi

Calculer la longueur AB avec A(1 ;-2 ;3) et B(4 ;2 ;3), puis dire si le triangle OAB (avec O origine) est rectangle en... on calcule juste AB.

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    vecteur AB =(4-1 ;2-(-2) ;3-3)=(3 ;4 ;0).

  2. 2

    AB=‖ vecteur AB ‖=√(3²+4²+0²)=√(9+16)=√(25)=5.

Réponse : AB=5.

Rappel de cours : Distance entre deux points = norme du vecteur : AB=√((x_B-x_A)²+(y_B-y_A)²+(z_B-z_A)²).

31

Exercice 31 — Type bac : plan (BDE), équation et distance

Type bac / défi

ABCDEFGH est un cube d'arête 1, repère orthonormé (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ).

On considère le plan (BDE). 1) Vérifier que vecteur AG (1 ;1 ;1) est normal au plan (BDE). 2) En déduire une équation cartésienne de (BDE). 3) Calculer la distance du point A au plan (BDE).

ABCDEFGH
Plan (BDE) et diagonale [AG]
Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    1) vecteur BD =(-1 ;1 ;0) et vecteur BE =(-1 ;0 ;1) dirigent le plan (BDE).

    On calcule : vecteur AG · vecteur BD =-1+1+0=0 et vecteur AG · vecteur BE =-1+0+1=0.

    vecteur AG est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan : il en est un vecteur normal.

  2. 2

    2) Le plan a une équation x+y+z+d=0 (coefficients donnés par vecteur AG).

    Il passe par B(1 ;0 ;0) : 1+0+0+d=0, donc d=-1.

    Équation de (BDE) : x+y+z-1=0. (On vérifie : D(0 ;1 ;0) et E(0 ;0 ;1) la satisfont.)

  3. 3

    3) Distance de A(0 ;0 ;0) au plan : d(A,(BDE))=(|0+0+0-1|)/(√(1²+1²+1²))=1/( √3 )=( √3 )/3.

Réponse : vecteur AG normal à (BDE) ; équation x+y+z-1=0 ; d(A,(BDE))=( √3 )/3≈ 0,58.

Rappel de cours : Distance point-plan : d=(|ax₀+by₀+cz₀+d|)/(√(a²+b²+c²)). La grande diagonale (AG) d'un cube est orthogonale au plan (BDE).

32

Exercice 32 — Type bac : plan (BDE) du cube, équation et distance

Type bac / défi

On considère le cube ABCDEFGH d'arête 1, muni du repère orthonormé (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ).

On a ainsi A(0;0;0), B(1;0;0), D(0;1;0), E(0;0;1) et G(1;1;1).

  1. 1.Donner les coordonnées de vecteur AG, vecteur BD et vecteur BE.
  2. 2.Démontrer que la droite (AG) est orthogonale au plan (BDE).
  3. 3.En déduire qu'une équation cartésienne du plan (BDE) est x+y+z-1=0.
  4. 4.Déterminer les coordonnées du point K d'intersection de (AG) et du plan (BDE).
  5. 5.Calculer la distance du point A au plan (BDE).
Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    vecteur AG =(1;1;1) ; vecteur BD =D-B=(-1;1;0) ; vecteur BE =E-B=(-1;0;1).

  2. 2

    vecteur AG · vecteur BD =-1+1+0=0 et vecteur AG · vecteur BE =-1+0+1=0 : vecteur AG est orthogonal à deux vecteurs non colinéaires du plan (BDE), donc (AG) est orthogonale à (BDE) et vecteur AG en est un vecteur normal.

  3. 3

    Le plan admet vecteur AG =(1;1;1) pour normale : il a une équation x+y+z+d=0.

    Il passe par B(1;0;0) : 1+0+0+d=0, donc d=-1.

    Équation : x+y+z-1=0.

  4. 4

    (AG) est dirigée par (1;1;1) et passe par A : ses points sont (t;t;t).

    En reportant dans l'équation du plan : t+t+t-1=0, soit t=1/3.

    Donc K(1/3;1/3;1/3).

  5. 5

    d(A,(BDE))=(|0+0+0-1|)/(√(1²+1²+1²))=1/sqrt3=sqrt3/3≈0,58. (C'est la distance AK.)

Réponse : vecteur AG =(1;1;1) normal à (BDE) ; plan : x+y+z-1=0 ; K(1/3;1/3;1/3) ; d(A,(BDE))=sqrt3/3.

Rappel de cours : Orthogonale à deux vecteurs non colinéaires d'un plan ⇒ orthogonale au plan ; distance d'un point à un plan : (|ax₀+by₀+cz₀+d|)/(√(a²+b²+c²)).

33

Exercice 33 — Type bac : une section du cube

Type bac / défi

ABCDEFGH est un cube d'arête 1, repère (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ).

I est le milieu de [EH] et J le milieu de [BC].

  1. 1.Donner les coordonnées de I et J.
  2. 2.Montrer que (IJ) et (EB) sont parallèles, puis que EIJB est un parallélogramme.
  3. 3.Montrer que le centre Ω du cube est le milieu de [IJ].
ABCDEFGHIJ
Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    1) E(0 ;0 ;1), H(0 ;1 ;1), donc I(0 ;1/2 ;1).

    B(1 ;0 ;0), C(1 ;1 ;0), donc J(1 ;1/2 ;0).

  2. 2

    2) vecteur IJ (1 ;0 ;-1) et vecteur EB (1 ;0 ;-1) : vecteur IJ = vecteur EB, donc (IJ) ‖ (EB).

  3. 3

    De plus vecteur EI (0 ;1/2 ;0)= vecteur BJ : EIJB est un parallélogramme (non aplati car vecteur EI et vecteur EB ne sont pas colinéaires).

  4. 4

    3) Milieu de [IJ] : (1/2 ;1/2 ;1/2), qui est le milieu de la grande diagonale [AG], c'est-à-dire le centre Ω du cube.

Réponse : I(0 ;1/2 ;1), J(1 ;1/2 ;0) ; EIJB parallélogramme ; Ω(1/2 ;1/2 ;1/2) milieu de [IJ].

Rappel de cours : Dans un cube, choisir le repère (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ) transforme la géométrie en calculs de coordonnées.

34

Exercice 34 — Type bac : plan défini par trois points

Type bac / défi

Soit A(1 ;0 ;0), B(0 ;2 ;0), C(0 ;0 ;3). 1) Donner deux vecteurs directeurs du plan (ABC). 2) Déterminer une équation cartésienne de ce plan.

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    Vecteurs directeurs : vecteur AB =(-1;2;0) et vecteur AC =(-1;0;3).

  2. 2

    On cherche vecteur n =(a;b;c) orthogonal aux deux : vecteur n · vecteur AB =-a+2b=0 et vecteur n · vecteur AC =-a+3c=0.

    Donc a=2b et a=3c.

    En prenant a=6 : b=3, c=2, soit vecteur n =(6;3;2).

  3. 3

    Équation 6x+3y+2z+d=0.

    Avec A(1;0;0) : 6+d=0, donc d=-6.

  4. 4

    Équation : 6x+3y+2z-6=0.

Réponse : vecteur n =(6;3;2) ; plan (ABC) : 6x+3y+2z-6=0.

Rappel de cours : Plan par 3 points : deux vecteurs vecteur AB , vecteur AC, un vecteur normal par produits scalaires nuls, puis l'équation en injectant un point.

35

Exercice 35 — Type bac : distance d'un point à un plan

Type bac / défi

Calculer la distance du point A(1 ;2 ;2) au plan P : 2x+y-2z+1=0.

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    Formule : d(A,P)=(|a x_A+b y_A+c z_A+d|)/(√(a²+b²+c²)) avec (a;b;c)=(2;1;-2).

  2. 2

    Numérateur : |2× 1+2-2× 2+1|=|2+2-4+1|=|1|=1.

  3. 3

    Dénominateur : √(2²+1²+(-2)²)=√(4+1+4)= √9 =3.

  4. 4

    d(A,P)=1/3.

Réponse : d(A,P)=1/3.

Rappel de cours : Distance point-plan : d=(|ax_A+by_A+cz_A+d|)/(√(a²+b²+c²)). Valeur absolue au numérateur, norme de la normale au dénominateur.

36

Exercice 36 — Type bac : projeté orthogonal

Type bac / défi

Soit P : x+y+z-3=0 et A(2 ;2 ;2).

Déterminer le projeté orthogonal H de A sur P.

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    La droite (AH) est orthogonale à P, donc dirigée par vecteur n =(1;1;1) : H=A+t vecteur n, soit H(2+t ;2+t ;2+t).

  2. 2

    H∈ P : (2+t)+(2+t)+(2+t)-3=0, soit 6+3t-3=0, donc 3t=-3 et t=-1.

  3. 3

    H(2-1 ;2-1 ;2-1)=H(1 ;1 ;1).

Réponse : H(1 ;1 ;1).

Rappel de cours : Projeté orthogonal : suivre la droite passant par A dirigée par la normale vecteur n, et trouver son intersection avec le plan.

37

Exercice 37 — Type bac : orthogonalité dans un tétraèdre

Type bac / défi

Dans un repère orthonormé, O(0;0;0), A(1;0;0), B(0;1;0), C(0;0;1).

Montrer que (OA) est orthogonale au plan (OBC).

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    Le plan (OBC) est dirigé par vecteur OB =(0;1;0) et vecteur OC =(0;0;1).

  2. 2

    vecteur OA =(1;0;0).

    On calcule : vecteur OA · vecteur OB =0 et vecteur OA · vecteur OC =0.

  3. 3

    vecteur OA est orthogonal à deux vecteurs directeurs non colinéaires de (OBC) : donc (OA) est orthogonale au plan (OBC).

Réponse : vecteur OA ⊥ vecteur OB et vecteur OA ⊥ vecteur OC : (OA) est orthogonale au plan (OBC).

Rappel de cours : Une droite est orthogonale à un plan si son vecteur directeur est orthogonal à DEUX vecteurs directeurs non colinéaires du plan.

38

Exercice 38 — Type bac : angle entre deux vecteurs (3D)

Type bac / défi

Calculer le cosinus de l'angle entre vecteur u (1 ;1 ;0) et vecteur v (1 ;0 ;1).

Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    vecteur u · vecteur v =1×1+1×0+0×1=1.

  2. 2

    ‖ vecteur u ‖=√(2), ‖ vecteur v ‖=√(2).

    cosθ=1/sqrt2×sqrt2=1/2, donc θ=60°.

Réponse : cosθ=1/2, θ=60°.

Rappel de cours : cosθ=( vecteur u · vecteur v )/(‖ vecteur u ‖ ‖ vecteur v ‖).

39

Exercice 39 — Type bac : angles d'une diagonale du cube

Type bac / défi

On considère le cube ABCDEFGH d'arête 1 muni du repère orthonormé (A ; vecteur AB , vecteur AD , vecteur AE ), avec A(0;0;0), B(1;0;0), C(1;1;0) et G(1;1;1).

La droite (AG) est la grande diagonale du cube.

  1. 1.Donner les coordonnées de vecteur AG, vecteur AB et vecteur AC, puis calculer les normes ‖ vecteur AG ‖ et ‖ vecteur AC ‖.
  2. 2.Calculer le produit scalaire vecteur AG · vecteur AC.
  3. 3.En déduire une valeur approchée, au dixième de degré, de l'angle CAĜ.
  4. 4.Calculer vecteur AG · vecteur AB et en déduire une valeur approchée de l'angle BAĜ.
  5. 5.Comparer les angles CAĜ et BAĜ et interpréter géométriquement.
Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    vecteur AG =(1;1;1), vecteur AB =(1;0;0), vecteur AC =(1;1;0).

    ‖ vecteur AG ‖=√(1+1+1)=sqrt3 et ‖ vecteur AC ‖=√(1+1+0)=sqrt2.

  2. 2

    vecteur AG · vecteur AC =1×1+1×1+1×0=2.

  3. 3

    cosCAĜ=(vecteur AG · vecteur AC)/(‖ vecteur AG ‖ ‖ vecteur AC ‖)=2/sqrt3×sqrt2=2/sqrt6=sqrt6/3≈0,816, donc CAĜ≈35,3°.

  4. 4

    vecteur AG · vecteur AB =1.

    cosBAĜ=1/sqrt3×1=1/sqrt3≈0,577, donc BAĜ≈54,7°.

  5. 5

    CAĜ≈35,3°<BAĜ≈54,7° : la diagonale (AG) fait un angle plus petit avec la diagonale de face (AC) qu'avec l'arête (AB).

    La diagonale du cube est « plus proche » du plan de la base que de l'arête verticale.

Réponse : ‖ vecteur AG ‖=sqrt3 ; vecteur AG · vecteur AC =2RightarrowCAĜ≈35,3° ; vecteur AG · vecteur AB =1RightarrowBAĜ≈54,7°.

Rappel de cours : vecteur u · vecteur v =‖ vecteur u ‖ ‖ vecteur v ‖cosθ donne l'angle : cosθ=( vecteur u · vecteur v )/(‖ vecteur u ‖ ‖ vecteur v ‖).

40

Exercice 40 — Type bac : aire d'un triangle par un volume

Type bac / défi

Soient O(0 ;0 ;0), A(2 ;0 ;0), B(0 ;3 ;0) et C(0 ;0 ;6).

  1. 1.Calculer le volume du tétraèdre OABC.
  2. 2.Vérifier que 3x+2y+z-6=0 est une équation du plan (ABC).
  3. 3.Calculer la distance de O au plan (ABC), puis en déduire l'aire du triangle ABC.
Voir la correction

Correction détaillée

  1. 1

    1) Base OAB, rectangle en O, d'aire (2× 3)/2=3 ; hauteur OC=6.

    V=1/3× 3× 6=6.

  2. 2

    2) A : 6+0+0-6=0 ; B : 0+6+0-6=0 ; C : 0+0+6-6=0.

    Les trois points (non alignés) vérifient l'équation.

  3. 3

    3) d(O,(ABC))=(|0+0+0-6|)/(√(9+4+1))=6/√(14).

  4. 4

    Le volume vaut aussi 1/3× aire (ABC)× d : 6=1/3× aire ×6/√(14), d'où aire (ABC)=3√(14)≈ 11,2.

Réponse : V=6 ; d=6/√(14) ; aire de ABC : 3√(14).

Rappel de cours : Distance d'un point M au plan ax+by+cz+d=0 : (|ax_M+by_M+cz_M+d|)/(√(a²+b²+c²)).

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