Devoir d'une heure, noté sur 20 points. Calculatrice autorisée. Seuil proposé : 10/20. Corrigé et barème à la fin.
Sujet
Exercice 1 (8 points)
ABCDEFGH est un cube d'arête 1 : ABCD est la face du bas, et E, F, G, H sont au-dessus de A, B, C, D. On se place dans le repère orthonormé (A;AB,AD,AE).
Donner les coordonnées des points B, D, E, F et G. (1 point)
Montrer que la droite (DF) est orthogonale au plan (BEG). (2 points)
Calculer une mesure de l'angle EBG. Quelle est la nature du triangle BEG ? (1,5 point)
Soit P(32;31;32). Montrer que DP=32DF et que BP=31BE+31BG. En déduire que P est le projeté orthogonal de D sur le plan (BEG), puis la distance du point D à ce plan. (2 points)
Calculer l'aire du triangle BEG, puis le volume du tétraèdre DBEG. (1,5 point)
Exercice 2 (7 points)
Dans un repère orthonormé, on considère les points A(2;1;−1), B(3;3;1), M(5;2;1) et C(0;2;−1).
Calculer les coordonnées de AB et de AM, puis les longueurs AB et AM. (1 point)
Calculer une mesure de l'angle MAB au dixième de degré près. (1,5 point)
Calculer BA⋅BM. En déduire le projeté orthogonal de M sur la droite (AB), puis la distance de M à cette droite. (2 points)
Soit P le plan passant par A et normal à AB. Les points M et C appartiennent-ils à P ? (1,5 point)
Déterminer le point de l'axe des abscisses situé à égale distance de A et de M. (1 point)
Exercice 3 (5 points)
Soit u et v deux vecteurs de l'espace tels que ∥u∥=4, ∥v∥=3 et ∥u−v∥=13.
Calculer u⋅v. (1,5 point)
En déduire une mesure de l'angle entre u et v. (1 point)
Calculer ∥u+v∥. (1 point)
Calculer (u+v)⋅(u−v). (0,5 point)
Déterminer le réel k tel que u+kv soit orthogonal à v. (1 point)
DF(1;−1;1), BE(−1;0;1), BG(0;1;1). DF⋅BE=−1+0+1=0 et DF⋅BG=0−1+1=0. Les droites (BE) et (BG) sont sécantes en B : (DF) est orthogonale au plan (BEG). (2 points : 0,5 par produit scalaire, 1 pour la conclusion avec les deux droites sécantes)
BE⋅BG=0+0+1=1 et BE=BG=2, donc cosEBG=21 et EBG=60°. Comme BE=BG, le triangle est isocèle avec un angle de 60° : il est équilatéral (et EG=2). (1,5 point)
DP(32;−32;32)=32DF : P est sur la droite (DF). BP(−31;31;32) et 31BE+31BG=(−31;31;32) : P est dans le plan (BEG). Comme (DP)=(DF) est orthogonale à ce plan, P est le projeté orthogonal de D sur (BEG), et d(D,(BEG))=DP=32DF=323=323≈1,15. (2 points)
Le triangle BEG est équilatéral de côté 2 : son aire vaut 43×2=23 (hauteur 2×23). Le volume du tétraèdre est V=31×23×323=31. Remarque : DBEG est un tétraèdre régulier, ses six arêtes sont des diagonales de faces. (1,5 point)
Exercice 2
AB(1;2;2) et AM(3;1;2) ; AB=9=3 et AM=14. (1 point)
AB⋅AM=3+2+4=9, donc cosMAB=3149=143≈0,802 et MAB≈36,7°. (1,5 point)
BA(−1;−2;−2) et BM(2;−1;0) : BA⋅BM=−2+2+0=0. Donc (BM)⊥(AB) et B∈(AB) : B est le projeté orthogonal de M sur (AB). La distance de M à (AB) est MB=4+1+0=5≈2,24. (2 points)
AM⋅AB=9=0 : M∈/P. AC(−2;1;0) et AC⋅AB=−2+2+0=0 : C∈P. (1,5 point)
Le milieu de [AM] est J(27;23;0). Pour X(x;0;0) : JX(x−27;−23;0) et JX⋅AM=3x−221−23=3x−12, nul pour x=4. Le point cherché est (4;0;0) ; vérification : sa distance à A et à M vaut 6. (1 point)