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Logique, arithmétique et algorithmique en seconde · Géométrie plane et dans l'espace

Longueurs, aires, volumes, trigonométrie et optimisation

Un jardinier dispose de 40 m de grillage pour clore un enclos rectangulaire le long d'un mur. Quelles dimensions donner à l'enclos pour qu'il soit le plus grand possible ? Pour répondre, il faut savoir calculer des aires, des longueurs et parfois des volumes, puis chercher un maximum. C'est le programme de cette page.

Aires et volumes à connaître

Les formules ne sont pas fournies dans les contrôles : il faut les retenir.

Le cylindre est une « pile de disques » : aire de la base × hauteur. Le cône occupe exactement le tiers du cylindre de même base et de même hauteur.

Un cylindre, un cône et une boule de même rayon r cylindre cône boule

Réduction et agrandissement

Si on multiplie toutes les longueurs par $k$, les aires sont multipliées par $k^2$ et les volumes par $k^3$. Un cône coupé par un plan parallèle à la base donne un petit cône qui est une réduction du grand. Le solide restant s'appelle un tronc de cône : son volume est la différence $V_{\text{tronc}} = V_{\text{grand cône}} - V_{\text{petit cône}}$.

Pour un solide composé, on additionne les volumes de ses parties. Une demi-sphère de rayon $r$ a pour volume $\dfrac12 \times \dfrac43 \pi r^3 = \dfrac23 \pi r^3$.

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Calculer : a) L'aire d'un disque de rayon 5 cm (valeur exacte puis arrondie au dixième). b) Le volume d'un cylindre de rayon 3 cm et de hauteur 10 cm (valeur exacte). c)…

Calculer :

  1. a) L'aire d'un disque de rayon 5 cm (valeur exacte puis arrondie au dixième).
  2. b) Le volume d'un cylindre de rayon 3 cm et de hauteur 10 cm (valeur exacte).
  3. c) Le volume d'une boule de rayon 6 cm (valeur exacte).
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Un silo de forme cylindrique, de rayon 2 m et de hauteur 6 m, est surmonté d'une demi-sphère de même rayon. a) Calculer son volume total, arrondi au dixième de m³. b)…

Un silo de forme cylindrique, de rayon 2 m et de hauteur 6 m, est surmonté d'une demi-sphère de même rayon.

  1. a) Calculer son volume total, arrondi au dixième de m³.
  2. b) Les céréales stockées occupent 80 % du volume. Calculer ce volume en litres, arrondi à l'unité.
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Un pâtissier réduit un cône de crème de hauteur 12 cm et de rayon de base 4 cm en le coupant par un plan parallèle à la base, à 3 cm du sommet. a) Calculer le…

Un pâtissier réduit un cône de crème de hauteur 12 cm et de rayon de base 4 cm en le coupant par un plan parallèle à la base, à 3 cm du sommet.

  1. a) Calculer le coefficient de réduction du petit cône.
  2. b) Calculer le volume du petit cône (valeur exacte).
  3. c) Calculer le volume du tronc de cône restant (valeur exacte).
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Trigonométrie dans le triangle rectangle

Dans un triangle rectangle, pour un angle aigu $\widehat{B}$, on utilise trois rapports de longueurs :

Moyen mnémotechnique : CAH-SOH-TOA.

Triangle ABC rectangle en A avec côtés adjacent, opposé et hypoténuse relatifs à l'angle B B A C adjacent opposé hypoténuse

Deux conséquences importantes :

Rappel : $(a+b)^2 = a^2 + 2ab + b^2$. Par exemple, $(x+3)^2 = x^2 + 6x + 9$. On l'utilisera avec $a = \cos\alpha$ et $b = \sin\alpha$ : $(\cos\alpha+\sin\alpha)^2 = \cos^2\alpha + 2\cos\alpha\sin\alpha + \sin^2\alpha = 1 + 2\sin\alpha\cos\alpha$.

Pourquoi ? Avec les côtés $a$ (adjacent), $b$ (opposé) et l'hypoténuse $c$ : $\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = \dfrac{a^2}{c^2} + \dfrac{b^2}{c^2} = \dfrac{a^2+b^2}{c^2} = 1$ d'après le théorème de Pythagore, puisque $a^2 + b^2 = c^2$. De même, $\dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha} = \dfrac{b/c}{a/c} = \dfrac{b}{a} = \tan\alpha$.

Calculer une longueur

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Dans un triangle $ABC$ rectangle en $A$, on a $AB = 6$ cm et $AC = 8$ cm. a) Calculer $BC$. b) Calculer $\cos \widehat{B}$ et $\sin \widehat{B}$. c) Vérifier que…

Dans un triangle $ABC$ rectangle en $A$, on a $AB = 6$ cm et $AC = 8$ cm.

  1. a) Calculer $BC$.
  2. b) Calculer $\cos \widehat{B}$ et $\sin \widehat{B}$.
  3. c) Vérifier que $\cos^2 \widehat{B} + \sin^2 \widehat{B} = 1$.
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Un mât vertical est maintenu par un câble tendu de son sommet jusqu'au sol. Le câble mesure 12 m et forme un angle de $62°$ avec le sol horizontal. a) Calculer la…

Un mât vertical est maintenu par un câble tendu de son sommet jusqu'au sol. Le câble mesure 12 m et forme un angle de $62°$ avec le sol horizontal.

  1. a) Calculer la hauteur du mât, arrondie au centimètre.
  2. b) Calculer la distance entre le pied du mât et le point d'attache du câble au sol, arrondie au centimètre.
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Soit $\alpha$ un angle aigu tel que $\cos \alpha = \dfrac{3}{5}$. a) Calculer $\sin \alpha$ en utilisant $\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1$. b) En déduire…

Soit $\alpha$ un angle aigu tel que $\cos \alpha = \dfrac{3}{5}$.

  1. a) Calculer $\sin \alpha$ en utilisant $\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1$.
  2. b) En déduire $\tan\alpha = \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha}$.
  3. c) Démontrer que, pour tout angle aigu $\alpha$, $(\cos\alpha + \sin\alpha)^2 = 1 + 2\sin\alpha\cos\alpha$, et calculer cette valeur pour l'angle ci-dessus.
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Projeté orthogonal et hauteur d'un triangle

Dans un triangle $ABC$, si $H$ est le projeté orthogonal de $A$ sur $(BC)$, alors $[AH]$ est la hauteur issue de $A$ et $\mathcal{A}_{ABC} = \dfrac{BC \times AH}{2}$.

Dans un repère orthonormé, quand la droite est un axe, le projeté s'obtient en lisant les coordonnées : le projeté de $M(x\,;y)$ sur l'axe des abscisses est $(x\,;0)$.

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Soit $ABC$ un triangle et $H$ le projeté orthogonal de $A$ sur la droite $(BC)$, avec $B(0\,;0)$, $C(6\,;0)$ et $A(2\,;4)$ dans un repère orthonormé. a) Donner les…

Soit $ABC$ un triangle et $H$ le projeté orthogonal de $A$ sur la droite $(BC)$, avec $B(0\,;0)$, $C(6\,;0)$ et $A(2\,;4)$ dans un repère orthonormé.

  1. a) Donner les coordonnées de $H$.
  2. b) Calculer $AH$.
  3. c) Calculer l'aire du triangle $ABC$.
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Problèmes d'optimisation

Optimiser, c'est chercher la plus grande (ou la plus petite) valeur d'une grandeur : aire maximale, coût minimal, etc. La méthode :

Retour à l'enclos du début : $x$ est la longueur des deux côtés perpendiculaires au mur, donc le côté parallèle mesure $40 - 2x$.

Pour chercher un extremum, on peut dresser un tableau de valeurs, repérer le maximum ou le minimum parmi les valeurs testées, puis conclure.

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On dispose d'une clôture de 40 m pour délimiter un enclos rectangulaire contre un mur (le mur constitue un côté, sans clôture). On note $x$ la longueur, en mètres, des…

On dispose d'une clôture de 40 m pour délimiter un enclos rectangulaire contre un mur (le mur constitue un côté, sans clôture). On note $x$ la longueur, en mètres, des deux côtés perpendiculaires au mur.

  1. a) Exprimer l'aire $A(x)$ de l'enclos en fonction de $x$ et préciser l'intervalle de variation de $x$.
  2. b) Montrer que $A(x) = 200 - 2(x-10)^2$.
  3. c) En déduire les dimensions de l'enclos d'aire maximale et cette aire.
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Une boîte de conserve cylindrique doit avoir un volume de $500\ \text{cm}^3$. On note $r$ son rayon et $h$ sa hauteur, en cm. a) Exprimer $h$ en fonction de $r$. b)…

Une boîte de conserve cylindrique doit avoir un volume de $500\ \text{cm}^3$. On note $r$ son rayon et $h$ sa hauteur, en cm.

  1. a) Exprimer $h$ en fonction de $r$.
  2. b) Montrer que l'aire totale de métal est $S(r) = 2\pi r^2 + \dfrac{1000}{r}$.
  3. c) À l'aide d'un tableau de valeurs de $S$ pour $r$ entier de 3 à 7, déterminer l'entier $r$ pour lequel $S$ est la plus petite et calculer la hauteur correspondante, arrondie au dixième.
Résoudre

Retour à l'enclos : avec 40 m de grillage contre un mur, le plus grand enclos mesure $10$ m sur $20$ m, soit $200\ \text{m}^2$.

L'essentiel

  • Cylindre : $V = \pi r^2 h$ ; cône : $V = \dfrac13\pi r^2 h$ ; boule : $V = \dfrac43\pi r^3$ ; disque : $\mathcal{A} = \pi r^2$.

  • Un coefficient $k$ multiplie les longueurs, $k^2$ les aires, $k^3$ les volumes.

  • Triangle rectangle : CAH-SOH-TOA ; $\cos^2\alpha + \sin^2\alpha = 1$ ; $\tan\alpha = \dfrac{\sin\alpha}{\cos\alpha}$.

  • Le projeté orthogonal $H$ de $A$ sur une droite donne la distance $AH$ et la hauteur d'un triangle.

  • Optimiser : choisir $x$, écrire $f(x)$, étudier $f$ (tableau de valeurs ou de variations), conclure avec unités.

Voir tous les exercices de cette partie