S’entrainer plus
Exercice 1 : Amérique du Nord-Juin 2004- ACO5 p37
Dans le plan affine, on considèreABCun triangle rectangle en A,Ile mileu du segment[AB]etJ le centre de gravité deABC.
Pour tout réelm, différent de−1
3, on noteGmle barycentre du système de points pondérés{(A; 1)(B;m)(C; 2m)}. Pour tout pointM du plan, on note−→
V M = 3−−→
M A−−−→
M B −2−−→
M C.
Pour chacune des affirmations suivantes, dire si elle est vraie (V) ou fausse (F).
Affirmation V ou F
1.G1 est le milieu du segment[CI].
2.G1 est barycentre de{(J; 2)(C;2 3)}. 3. Pour tout pointM,−→
V M =−−→
AB + 2−−→
AC. 4. Pour toutm, distinct de−1
3,−−−→
AGm est colinéaire à−−−−→
AG−1. 5.IBG−1/2 est un triangle rectangle.
6. Pour tout pointP de(AG−1), il existe un réelmtel que P =Gm. Exercice 2 :Batterie nationale, exo 23 p26
On considère un cubeABCDEF GH, d’arête de longueura(a réel strictement positif).
SoitI le point d’intersection de la droite(EC)et du plan(AF H).
1. Calculer, en fonction dea, les produits scalaires suivants :−−→
EA .−−→
AF ; −−→
AB .−−→
AF ; −−→
BC .−−→
AF. 2. En déduire que les vecteurs −−→
EC et −−→
AF sont orthogonaux.
On admettra de même que les vecteurs−−→
EC et−−→
AH sont orthogonaux.
3. En déduire que le point Iest le projeté orthogonal deE sur le plan(AF H).
4. (a) Justifier les résultats suivants : les droites(AF)et(EH)sont orthogonales ainsi que les droites(AF) et (EI).
(b) En déduire que la droite(AF)est orthogonale à la droite(HI).
(c) Etablir de même que la droite(AH)est orthogonale à la droite(F I).
5. Que représente le pointIpour le triangle AF H? Exercice 3 :Asie, juin 2003
L’espace E est rapporté au repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k . Les points A, B et C ont pour coordonnées respectives :
A(3 ; −2 ; 2) ; B(6 ; 1 ; 5) ; C(6 ; −2 ; −1).
A
B
D
C
−O
→ı −→
−
→k
Partie A
1. Montrer que le triangle ABC est un triangle rectangle.
2. Soit P le plan d’équation cartésiennex+y+z−3 = 0.
Montrer que P est orthogonal à la droite (AB) et passe par le point A.
3. Soit P′ le plan orthogonal à la droite (AC) et passant par le point A.
Déterminer une équation cartésienne de P′.
4. Déterminer une représentation paramétrique de la droite ∆, droite d’intersection des plans P et P′. Partie B
1. Soit D le point de coordonnées(0 ; 4 ; −1).
Montrer que la droite (AD) est perpendiculaire au plan (ABC).
2. Calculer le volume du tétraèdre ABDC.
3. Montrer que l’angle géométrique BDC a pour mesure π
4 radian.
4. (a) Calculer l’aire du triangle BDC.
(b) En déduire la distance du point A au plan (BDC).
Exercice 4 :Nouvelle Calédonie, décembre 2001
Partie I L’espace E est rapporté à un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k . Les points A, B, C et D ont pour coordonnées respectives :
(−1 ; 0 ; 2), (3 ; 2 ; −4), (1 ; −4 ; 2), (5 ; −2 ; 4).
On considère les points I, J et K définis par : I est le milieu du segment [AB], K est le milieu du segment [CD]
et−→
BJ = 1 4
−−→BC .
1. Déterminer les coordonnées des points I, J et K.
2. (a) Montrer que les points I, J et K ne sont pas alignés.
(b) Justifier qu’une équation cartésienne du plan (IJK) est :8x+ 9y+ 5z−12 = 0.
(c) Déterminer une représentation paramétrique de la droite (AD) et montrer que le plan (IJK) et la droite (AD) sont sécants en un point L dont on déterminera les coordonnées.
(d) Montrer que :−→
AL = 1 4
−−→AD.
Partie II
Plus généralement, dans l’espace E, on considère un tétraèdre ABCD ainsi que les points I, J, K et L définis par I est le milieu du segment [AB], K est le milieu du segment [CD].
−→AL= 1 4
−−→AD et −→
BJ =1 4
−−→BC Soit G le barycentre de (A, 3), (B, 3), (C, 1), D, 1).
1. Déterminer les barycentres de (A, 3), (D, 1) et le barycentre de (B, 3), (C, 1).
2. En associant les points A, B, C et D de deux façons différentes, montrer que G appartient aux droites (IK) et (JL). En déduire que les points I, J, K et L sont coplanaires.
Exercice 5 :La Réunion, juin 2005
On appelle hauteur d’un tétraèdre toute droite contenant l’un des sommets de ce tétraèdre et perpendiculaire au plan de la face opposée à ce sommet.
Un tétraèdre est orthocentrique si ses quatre hauteurs sont concourantes.
Partie A
On considère un tétraèdre ABCD et on note H le projeté orthogonal du point A sur le plan (BCD).
Démontrer que, si les hauteurs du tétraèdre ABCD issues des points A et B sont concourantes, alors la droite (BH) est une hauteur du triangle BCD.
Partie B
Dans l’espace muni d’un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k
on donne les points A(3 ; 2 ; −1), B(−6 ; 1 ; 1), C(4 ;−3 ; 3) et D(−1 ; −5 ; −1).
1. (a) Vérifier qu’une équation cartésienne du plan (BCD) est :−2x−3y+ 4z−13 = 0.
(b) Déterminer les coordonnées du point H, projeté orthogonal du point A sur le plan (BCD).
(c) Calculer le produit scalaire−−→
BH·−−→
CD . (d) Le tétraèdre ABCD est-il orthocentrique ?
2. On définit les points I(1 ; 0 ; 0), J(0 ; 1 ; 0), K(0 ; 0 ; 1). Le tétraèdre OIJK est-il orthocentrique ? Exercice 6 :La Réunion, juin 2006
Pour chacune des questions 1, 2, 3 et 4, parmi les quatre affirmations proposées, deux sont exactes et deux sont fausses. Le candidat indiquera sur sa copie le numéro de la question et les deux affirmations qu’il pense exactes. Aucune justification n’est demandée. Les quatre questions sont indépendantes et sont notées sur 1point. Toute réponse juste rapporte 0,5point. Donner plus de 2réponses à une question entraîne la nullité de la question.
L’espace est rapporté à un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k . 1. SoitP le plan d’équation2x+ 3y+ 4z−1 = 0.
(a) La distance du point O au planP est égale à 1.
(b) La distance du point O au planP est égale à 1
√29. (c) Le vecteur−→
n
1 ; 3 2 ; 2
est un vecteur normal au planP. (d) Le planQd’équation−5x+ 2y+z= 0est parallèle au planP.
2. On désigne parP le plan d’équation2x+y−z= 0, et parDla droite passant par le point A(1 ; 1 ; 1) et de vecteur directeur−→
u (1 ; −4 ; −2).
(a) La droiteD est parallèle au planP. (b) La droiteD est orthogonale au planP.
(c) La droiteD est sécante avec le planP.
(d) Un système d’équations paramétriques deD est
x = 1 +t y = 1−4t z = 1−2t
(t ∈ R).
3. On désigne par E l’ensemble des pointsM(x; y ; z)tels que : x+y+z= 3et 2x−z= 1. Soit le point A(1 ; 1 ; 1).
(a) L’ensemble E contient un seul point, le point A.
(b) L’ensemble E est une droite passant par A.
(c) L’ensemble E est un plan passant par A.
(d) L’ensemble E est une droite de vecteur directeur−→
u(1 ; −3 ; 2).
4. ABCD est un tétraèdre quelconque. SoitP le plan passant par A et orthogonal à la droite (BC).
(a) Le planP contient toujours le point D.
(b) Le planP contient toujours la hauteur (AH) du triangle ABC.
(c) Le planP est toujours l’ensemble des points M de l’espace tels que :−−→
BM ·−−→
BC =−−→
BA ·−−→
BC. (d) Le planP est toujours le plan médiateur du segment [BC].
Exercice 7 :Pondichéry, avril 2006
L’espace est muni d’un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k . Partie A
(cette partie constitue une restitution organisée de connaissances) Soita, b, cetddes réels tels que(a, b, c)6= (0, 0, 0).
SoitP le plan d’équationax+by+cx+d= 0.
On considère le pointI de coordonnées(x1, y1, z1)et le vecteur−→
n de coordonnées(a, b, c).
Le but de cette partie est de démontrer que la distance deIau planP est égale à |ax1+by1+cz1+d|
√a2+b2+c2 . 1. Soit∆la droite passant par Iet orthogonale au planP.
Déterminer, en fonction de a, b, c, x1, y1et z1, un système d’équations paramétriques de∆.
2. On note H le point d’intersection de∆ etP. (a) Justifier qu’il existe un réelk tel que−−→
IH =k−→ n.
(b) Déterminer l’expression deken fonction de a, b, c, d, x1, y1 etz1. (c) En déduire queIH= |ax1√+by1+cz1+d|
a2+b2+c2 . Partie B
Le plan Q d’équation x−y+z−11 = 0 est tangent à une sphère S de centre le point Ω de coordonnées (1, −1, 3).
1. Déterminer le rayon de la sphèreS.
2. Déterminer un système d’équations paramétriques de la droite∆ passant parΩet orthogonale au planQ 3. En déduire les coordonnées du point d’intersection de la sphèreS et du planQ.
Exercice 8 :Polynésie, juin 2006
Pour chacune des cinq propositions suivantes, indiquer si elle est vraie ou fausse et donner une démonstration de la réponse choisie. Une réponse non démontrée ne rapporte aucun point.
Dans l’espace rapporté à un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k
, on donne les points A(0 ; 0 ; 2) B(0 ; 4 ; 0) et C(2 ; 0 ; 0).
On désigne par I le milieu du segment [BC], par G l’isobarycentre des points A, B et C, et par H le projeté orthogonal du point O sur le plan (ABC).
Proposition 1 :« l’ensemble des pointsM de l’espace tels que −−→
AM ·−−→
BC = 0est le plan (AlO) ».
Proposition 2 :« l’ensemble des pointsM de l’espace tels que
−−→MB+−−→
MC =
−−→MB−−−→
MC
est la sphère de diamètre [BC] ».
Proposition 3 :« le volume du tétraèdre OABC est égal à 4 ».
Proposition 4 : « le plan (ABC) a pour équation cartésienne 2x+y + 2z = 4 et le point H a pour coordonnées 8
9 ; 4 9 ; 8
9
Proposition 5 :« la droite (AG) admet pour représentation paramétrique
x = t y = 2t z = 2−2t
(t∈R)».
Exercice 9 :Amérique du Nord, nov 2006 Dans l’espace rapporté à un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k
, ,on considère les points :
A de coordonnées (3 ; 1 ; −5), B de coordonnées (0 ; 4 ; −5), C de coordonnées (−1 ; 2 ; −5) et D de coordonnées (2 ; 3 ; 4).
Pour chacune des six affirmations ci-dessous, préciser si elle est vraie ou fausse. Aucune justification n’est demandée. Le candidat doit indiquer sur sa copie le numéro de la question et la mention« VRAI »ou« FAUX ».
On attribue 0,5point par réponse correcte et on retranche 0,25point par réponse incorrect.
L’absence de réponse n’est pas pénalisée. Un éventuel total négatif est ramené à 0.
1. Les points A, B et D sont alignés.
2. La droite (AB) est contenue dans le plan d’équation cartésienne :x+y= 4.
3. Une équation cartésienne du plan (BCD) est :18x−9y−5z+ 11 = 0.
4. Les points A, B, C et D sont coplanaires.
5. La sphère de centre A et de rayon 9 est tangente au plan (BCD).
6. Une représentation paramétrique de la droite (BD) est :
x = 1−2k y = 7
2 +k, k∈R z = −1
2 −9k Exercice 10 :Nouvelle Calédonie, nov 2006
Première partie
L’espace est rapporté à un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k
. On considère : – les points A(0 ; 0 ; 3), B(2 ; 0 ; 4), C(−1 ; 1 ; 2) et D(1 ; −4 ; 0) – les plans(P1) : 7x+ 4y−3z+ 9 = 0et (P2) :x−2y= 0.
– les droites(∆1)et (∆2)définies par leurs systèmes d’équations paramétriques respectifs
x = −1 +t y = −8 + 2t z = −10 + 5t
t∈R
x = 7 + 2t′ y = 8 + 4t′ z = 8−t′
t′∈R
Pour chaque question, une seule des quatre propositions est exacte. Le candidat indiquera sur la copie le numéro de la question et la lettre correspondant à la réponse choisie. Aucune justification n’est demandée.
Une réponse exacte rapporte 0,5 point ; une réponse inexacte enlève 0,25 point ; l’absence de réponse est comptée 0 point. Si le total est négatif, la note est ramenée à 0.
a. b. e. d.
1. Le plan(P1)est Le plan (ABC) Le plan (BCD) Le plan (ACD) Le plan (ABD) 2. La droite (∆1)
contient
Le point A Le point B Le point C Le point D
3. Position relative de(P1)et de (∆2)
(∆1) est stricte- ment parallèle a (P1)
(∆1) est incluse dans(P1)
(∆1)coupe(P1) (∆1)est orthogo- nale à(P1) 4. Position relative
de(∆1)et de (∆2)
(∆1) est stricte- ment parallèle à (∆2)
(∆1)et(∆2)sont confondues
(∆1)et(∆2)sont sécantes
(∆1)et(∆2)sont non coplanaires.
5. L’intersection de (P1) et de (P2) est une droite dont une représentation para- métrique est
x = t
y = −2 +1 2t
z = 3t
x = 2t
y = t
z = 3 + 6t
x = 5t
y = 1−2t
z = t
x = −1 +t y = 2 +t z = −3t
Deuxième partie
L’espace est rapporté à un repère orthonormal
O;~ı, ~, ~k
. On considère la droite (D) passant par A(0 ; 0 ; 3) et dont un vecteur directeur est−→
u(1 ; 0 ; −1)et la droite (D′) passant par B(2 ; 0 ; 4) et dont un vecteur directeur est−→
v(0 : 1 ; 1).
L’objectif est de démontrer qu’il existe une droite unique perpendiculaire à la fois à (D) et à (D′), de la déterminer et de dégager une propriété de cette droite.
1. On considère un pointM appartenant à (D) et un pointM′ appartenant à (D′) définis par−−→
AM =a−→ u et
−−−→BM′ =b−→
v , oùaetbsont de nombres réels.
Exprimer les coordonnées de M, deM′ puis du vecteur−−−→
M M′ en fonction deaet b.
2. Démontrer que la droite (MM′) est perpendicuaire à (D) et à (D′) si et seulement. si le couple(a; b)est solution du système
2a+b = 1 a+ 2b = −1
3. Résoudre ce système. En déduire les coordonnées des deux uniques points M et M′, que nous noterons ici H et H’, tels que la droite (HH′) soit bien perpendiculaire commune à (D) et à (D′). Montrer que HH′=√
3 unités de longueur.
4. On considère un pointM quelconque de la droite (D) et un pointM′ quelconque de la droite (D′).
(a) En utilisant les coordonnées obtenues à la question 1, démontrer que M M′2= (a+b)2+ (a−1)2+ (b+ 1)2+ 3.
(b) En déduire que la distanceM M′ est minimale lorsqueM est en H et M′ est en H′.
