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Leçon 7

Problèmes de longueurs, d'angles, d'aires et de volumes

Vidéo 7 : Longueurs, angles, aires et volumes · 3 min 10 s · sous-titres en français

Le cours écrit

7.1 Les outils

  • Longueur : AB=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2AB = \sqrt{(x_B - x_A)^2 + (y_B - y_A)^2 + (z_B - z_A)^2} dans un repère orthonormé.
  • Angle : cos⁡BAC^=AB→⋅AC→AB×AC\cos\widehat{BAC} = \dfrac{\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}}{AB \times AC}.
  • Aire d'un triangle : 12×base×hauteur\dfrac12 \times \text{base} \times \text{hauteur}. La hauteur issue de CC est CHCH, où HH est le projeté orthogonal de CC sur la droite (AB)(AB). On peut aussi utiliser 12×AB×AC×sin⁡BAC^\dfrac12 \times AB \times AC \times \sin\widehat{BAC}.
  • Volume d'un tétraèdre (d'une pyramide) : V=13×B×hV = \dfrac13 \times \mathcal{B} \times h, où B\mathcal{B} est l'aire d'une base et hh la hauteur correspondante, c'est-à-dire la distance du sommet opposé au plan de la base.

Méthode (distance d'un point à un plan par les volumes). On calcule le volume d'un tétraèdre avec une base « facile », puis on écrit le même volume avec la base contenue dans le plan cherché : V=13×B′×dV = \dfrac13 \times \mathcal{B}' \times d, donc d=3VB′d = \dfrac{3V}{\mathcal{B}'}. On obtient la distance sans chercher le projeté.

Exemple 25. Dans un repère orthonormé, OO est l'origine, A(4 ;0 ;0)A(4\,;0\,;0), B(0 ;4 ;0)B(0\,;4\,;0) et C(0 ;0 ;2)C(0\,;0\,;2). Le tétraèdre OABCOABC a trois faces rectangles en OO.

  1. Angle. CA→ (4 ;0 ;−2)\overrightarrow{CA}\,(4\,;0\,;-2) et CB→ (0 ;4 ;−2)\overrightarrow{CB}\,(0\,;4\,;-2), donc CA→⋅CB→=0+0+4=4\overrightarrow{CA} \cdot \overrightarrow{CB} = 0 + 0 + 4 = 4 et CA=CB=20CA = CB = \sqrt{20}. Alors cos⁡ACB^=420=15\cos\widehat{ACB} = \dfrac{4}{20} = \dfrac15 et ACB^≈78,5°\widehat{ACB} \approx 78{,}5°.
  2. Aire. Le triangle ABCABC est isocèle en CC. Soit HH le milieu de [AB][AB] : H(2 ;2 ;0)H(2\,;2\,;0), CH→ (2 ;2 ;−2)\overrightarrow{CH}\,(2\,;2\,;-2) et AB→ (−4 ;4 ;0)\overrightarrow{AB}\,(-4\,;4\,;0), d'où CH→⋅AB→=−8+8+0=0\overrightarrow{CH} \cdot \overrightarrow{AB} = -8 + 8 + 0 = 0. Donc HH est le projeté orthogonal de CC sur (AB)(AB), et [CH][CH] est une hauteur. Avec CH=12=23CH = \sqrt{12} = 2\sqrt3 et AB=32=42AB = \sqrt{32} = 4\sqrt2, l'aire vaut 12×42×23=46≈9,8\dfrac12 \times 4\sqrt2 \times 2\sqrt3 = 4\sqrt6 \approx 9{,}8.
  3. Volume. La base OABOAB est un triangle rectangle en OO, d'aire 12×4×4=8\dfrac12 \times 4 \times 4 = 8. La droite (OC)(OC) est orthogonale à (OA)(OA) et à (OB)(OB), donc au plan (OAB)(OAB) : la hauteur est OC=2OC = 2. Donc V=13×8×2=163V = \dfrac13 \times 8 \times 2 = \dfrac{16}{3}.
  4. Distance de OO au plan (ABC)(ABC). Si H′H' est le projeté orthogonal de OO sur (ABC)(ABC), alors V=13×AABC×OH′V = \dfrac13 \times \mathcal{A}_{ABC} \times OH', donc OH′=3VAABC=1646=263≈1,63OH' = \dfrac{3V}{\mathcal{A}_{ABC}} = \dfrac{16}{4\sqrt6} = \dfrac{2\sqrt6}{3} \approx 1{,}63.

Exemple 26. Dans le cube, le tétraèdre ABDEABDE a pour base le triangle ABDABD, rectangle en AA, d'aire 12\dfrac12, et pour hauteur AE=1AE = 1 : son volume vaut 13×12×1=16\dfrac13 \times \dfrac12 \times 1 = \dfrac16. Le triangle BDEBDE est équilatéral de côté 2\sqrt2 ; son aire vaut 34×(2)2=32\dfrac{\sqrt3}{4} \times \left(\sqrt2\right)^2 = \dfrac{\sqrt3}{2}. Donc d(A,(BDE))=3×1632=13=33,d\left(A, (BDE)\right) = \frac{3 \times \frac16}{\frac{\sqrt3}{2}} = \frac{1}{\sqrt3} = \frac{\sqrt3}{3}, le même résultat que dans l'exemple 23, obtenu cette fois sans chercher le projeté.

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Exercices 13 et 14

  • Exercice 13 : une voile d'ombrage
  • Exercice 14 : le toit du kiosque, en mesures

Exercices du chapitre (PDF, 174 Ko)

Corrigés

Cherche d'abord les exercices sur ta feuille, puis compare avec le corrigé détaillé.

Corrigés du chapitre (PDF, 162 Ko)

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