Compétences et clés de réussite

Cet exercice du Baccalauréat 2022 (Asie, Sujet 2) est un classique incontournable de la géométrie dans l'espace. Il mobilise un large éventail de compétences attendues en Terminale Spécialité Mathématiques, allant de la manipulation élémentaire des coordonnées vectorielles aux calculs de volumes, en passant par l'étude des positions relatives de droites et de plans.

1. Manipulation des vecteurs et nature des quadrilatères

La première partie de l'exercice nécessite une maîtrise parfaite du calcul de coordonnées de vecteurs dans un repère orthonormé. Pour démontrer qu'un quadrilatère est un rectangle, la méthode attendue se décompose souvent en deux étapes :

• Prouver que c'est un parallélogramme (égalité vectorielle type $\vec{AB} = \vec{DC}$).
• Démontrer la présence d'un angle droit via le produit scalaire (orthogonalité de deux vecteurs adjacents).

Le calcul de l'aire du rectangle suit naturellement, utilisant les normes des vecteurs précédemment calculées.

2. Équations de plans et vecteurs normaux

Le cœur de l'exercice repose sur la caractérisation d'un plan. L'élève doit savoir justifier que trois points définissent un plan (non-alignement) et vérifier qu'un vecteur donné est normal à ce plan. La clé de réussite réside ici dans le calcul de deux produits scalaires : le vecteur candidat doit être orthogonal à deux vecteurs directeurs non colinéaires du plan (par exemple $\vec{AB}$ et $\vec{AD}$).

Une fois le vecteur normal validé, l'écriture de l'équation cartésienne du plan de la forme $ax + by + cz + d = 0$ est immédiate, en déterminant la constante $d$ à l'aide d'un point appartenant au plan.

3. Droites, projections et distances

La troisième partie aborde la représentation paramétrique d'une droite. Il est crucial de comprendre le lien entre la direction de la droite (colinéaire au vecteur normal du plan) et les paramètres de l'équation. La recherche du point d'intersection entre la droite et le plan (le projeté orthogonal) demande de résoudre un système d'équations simple en substituant les coordonnées paramétriques de la droite dans l'équation cartésienne du plan.

Le calcul de la distance d'un point à un plan (hauteur de la pyramide) se fait alors simplement par la formule de la distance entre deux points, ou en utilisant la norme du vecteur reliant le sommet à son projeté.

4. Calcul de volume

Enfin, l'exercice se conclut par l'application de la formule du volume d'une pyramide ($V = \frac{1}{3} \times \text{Base} \times \text{Hauteur}$). C'est une question de synthèse qui utilise les résultats des parties précédentes (l'aire du rectangle calculée au début et la hauteur déterminée juste avant). Une attention particulière doit être portée à la cohérence des valeurs numériques trouvées.