Đang tải... (xem toàn văn)
LÝ THUYẾT VÀ BÀI TẬP CƠ BẢN HÌNH GIẢI TÍCH 12
CHƯƠNG III PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN I. Vector trong không gian 1. Định nghĩa và phép toán Định nghĩa, tính chất, các phép toán về vector trong không gian được xây dựng hoàn toàn tương tự như trong mặt phẳng. + Qui tắc ba điểm: Cho ba điểm bất kỳ A, B, C ta luôn có AB BC AC+ = uuur uuur uuur + Qui tắc hình bình hành: Cho hình bình hành ABCD ta có AB AD AC+ = uuur uuur uuur + Qui tắc hình hộp: Cho hình hộp ABCD.A’B’C’D’ ta có AB AD AA' AC'+ + = uuur uuur uuur uuuur + Hệ thức trung điểm đoạn thẳng: Cho M là trung điểm của đoạn AB, C là điểm tùy ý. Ta có: IA IB 0+ = uur uur r và CA CB 2CM+ = uuur uuur uuuur + Hệ thức trọng tâm tam giác: Cho G là trọng tâm của tam giác ABC, D là điểm tùy ý. Ta có: GA GB GC 0+ + = uuur uuur uuur r và DA DB DC 3DG+ + = uuur uuur uuur uuur + Hệ thức trọng tâm của tứ diện: Cho G là trọng tâm của tứ diện ABCD, E là điểm tùy ý. Ta có: GA GB GC GD 0+ + + = uuur uuur uuur uuur r và EA EB EC ED 4EG+ + + = uuur uuur uuur uuur uuur + Điều kiện cùng phương của hai vector: Hai vector a r và b r khác vector không cùng phương khi và chỉ khi !k R : b ka∃ ∈ = r r . + Điểm M chia đoạn thẳng AB theo tỉ số k ≠ 1, N là điểm tùy ý. Ta có MA kMB= uuuur uuur và khi đó ta cũng có NA kNB NM 1 k − = − uuur uuur uuuur 2. Sự đồng phẳng của ba vector Ba vector trong đó không có hai vector nào cùng phương được gọi là đồng phẳng nếu các giá của chúng có thể cùng song song với một mặt phẳng. Điều kiện đồng phẳng của ba vector a,b,c r r r trong đó không có hai vector nào cùng phương là !m,n R : c ma nb∃ ∈ = + r r r . Nếu ba vector a,b,c r r r không đồng phẳng, một vector d r tùy ý có thể biểu diễn được qua ba vector đó. Khi đó: !m,n,p R : d ma nb pc∃ ∈ = + + r r r r . Đây là cơ sở thiết lập hệ tọa độ vector trong không gian ba chiều. 3. Tích vô hướng của hai vector Góc giữa hai vector trong không gian: Cho hai vector u,v r r tùy ý khác không; lấy điểm A, B, C sao cho AB u, AC v= = uuur uuur r r thì ˆ (u, v) BAC= r r (0° ≤ ˆ BAC ≤ 180°) Tích vô hướng của hai vector trong không gian: Cho u,v r r khác không; khi đó tích vô hướng hai vector là u.v u v cos(u, v)= r r r r r r . Với u 0= r r hoặc v 0= r r , qui ước u.v 0= r r Nếu hai vector vuông góc thì tích vô hướng bằng không. u v u.v 0 ⊥ ⇔ = r r r r II. Hệ tọa độ trong không gian 1. Hệ tọa độ vuông góc Oxyz – tọa độ vector Nếu ta chọn i, j,k r r r là ba vector đơn vị đôi một vuông góc, có chung một điểm đặt O, sao cho từ điểm ngọn của vector k r thì chiều quay từ i r sang j r là ngược chiều kim đồng hồ, thì bộ ba số duy nhất (x, y, z) thỏa mãn vector a r bất kỳ có thể biểu diễn dưới dạng a xi yj zk= + + r r r r là tọa độ của vector a r . Khi đó ta viết a (x, y, z)= r . Hệ tọa độ có ba trục Ox, Oy, Oz hướng theo ba vector đơn vị như trên là hệ tọa độ vuông góc Oxyz. Lưu ý: i j k 1= = = r r r và i.j j.k k.i 0= = = r r r r r r 2. Phép toán vector trong không gian Cho a r = (a 1 ; a 2 ; a 3 ) và b r = (b 1 ; b 2 ; b 3 ) (i). 1 1 2 2 3 3 a b (a b ;a b ;a b )+ = + + + r r ; 1 1 2 2 3 3 a b (a b ;a b ;a b )− = − − − r r (ii). 1 2 3 ka (ka ;ka ;ka )= r (iii). 1 1 2 2 3 3 a b a b a b a b = = ⇔ = = r r (iv). 0 (0;0;0), i (1;0;0), j (0;1;0),k (0,0,1)= = = = r r r r (v). a,b r r cùng phương ( b 0≠ r r ) khi và chỉ khi 1 1 2 2 3 3 a kb !k R : a kb a kb a kb = ∃ ∈ = ⇔ = = r r Nếu b 1 , b 2 , b 3 khác không thì điều kiện trên trở thành 3 1 2 1 2 3 a a a b b b = = (vi). 1 1 2 2 3 3 a.b a b a b a b= + + r r và 1 1 2 2 3 3 a b a b a b a b 0⊥ ⇔ + + = r r (vii). 2 2 2 2 2 2 2 1 2 3 1 2 3 a a a a ; a a a a= + + = + + r r (viii). 1 1 2 2 3 3 2 2 2 2 2 2 1 2 3 1 2 3 a b a b a b a.b cos(a,b) a b a a a . b b b + + = = + + + + r r r r r r 3. Tọa độ điểm trong không gian Định nghĩa: M(x; y; z) OM (x;y;z)⇔ = uuuur Tính chất: Cho A(x A ; y A ; z A ), B(x B , y B , z B ) (i). B A B A B A AB (x x , y y ,z z )= − − − uuur và 2 2 2 B A B A B A AB (x x ) (y y ) (z z )= − + − + − (ii). Điểm M chia đoạn AB theo tỉ số k ≠ 1: A B A B A B x kx y ky z kz MA kMB M( ; ; ) 1 k 1 k 1 k − − − = ⇔ − − − uuuur uuur (iii). Tọa độ trung điểm M của đoạn thẳng AB: A B A B A B x x y y z z M( ; ; ) 2 2 2 + + + (iv). Tọa độ trọng tâm G của tam giác ABC: A B C A B C A B C x x x y y y z z z G( ; ; ) 3 3 3 + + + + + + (v). Tọa độ trọng tâm G của tứ diện ABCD: A B C D A B C D A B C D x x x x y y y y z z z z G( ; ; ) 4 4 4 + + + + + + + + + 4. Tích có hướng hai vector: Tích có hướng hai vector a,b r r là một vector c r vuông góc với cả hai vector đó sao cho ba vector a,b,c r r r khi đặt chung gốc sẽ tạo thành tam diện thuận và c a b sin(a,b)= r r r r r Kí hiệu: c [a,b] a b= = ∧ r r r r r Cho a r = (a 1 ; a 2 ; a 3 ) và b r = (b 1 ; b 2 ; b 3 ) Khi đó: 3 3 2 1 1 2 2 3 3 1 1 2 a a a a a a [a,b] ( ; ; ) b b b b b b = r r = (a 2 b 3 – a 3 b 2 ; a 3 b 1 – a 1 b 3 ; a 1 b 2 – a 2 b 1 ) Chú ý: [a,b] [b,a]≠ r r r r Tính chất và ứng dụng: (i). [i, j] k; [ j,k] i; [k, i] j= = = r r r r r r r r r (ii). [a,b] 0= r r r khi a,b r r cùng phương. (iii). Điều kiện đồng phẳng của ba vector a,b,c r r r : [a,b].c 0= r r r . (iv). Diện tích hình bình hành ABCD: ABCD S [AB,AD]= uuur uuur (v). Diện tích tam giác ABC: ABCD 1 S [AB,AD] 2 = uuur uuur (vi). Thể tích khối hộp ABCD.A’B’C’D’: ABCD.A'B'C'D' V [AB,AD].AA '= uuur uuur uuuur (vii). Thể tích của tứ diện ABCD: ABCD 1 V [AB,AC].AD 6 = uuur uuur uuur 5. Phương trình mặt cầu Phương trình chính tắc của mặt cầu (S) tâm I(a; b; c), bán kính R: (S): (x – a)² + (y – b)² + (z – c)² = R² Phương trình tổng quát: x² + y² + z² – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 với a² + b² + c² – d > 0. R = 2 2 2 a b c d+ + − Vấn đề 1: Các phép toán về tọa độ vector, tọa độ điểm, khoảng cách hai điểm Bài 1. Viết tọa độ các vector sau đây a 2i j= − + r r r b 5i 4k= − r r r c 3i 4 j k= − + r r r r Bài 2. Cho a r = (2; –3; 3), b r = (0; 2; –1), c r = (1; 3; 2). Tìm tọa độ vector u r với a. u 2a 3b 4c = + − r r r r b. u a 2b c = − + r r r r Bài 3. Tìm tọa độ vector u r , biết a. a u 0 + = r r r với a r = (–1; 2; 1) b. a 2u b + = r r r với a r = (3; 2; –1) và b r = (1; 4; 1) Bài 4. Cho a r = (1; –2; 2), b r = (2; 0; 1) a. Tìm y, z sao cho c r = (2; y; z) cùng phương với a r b. Tìm x, y sao cho u r = (x; y; 3) cùng phương với b r c. Tìm vector c r vuông góc với a r và b r , đồng thời có độ lớn bằng 3 5 d. Tính cosin góc giữa hai vector a r và b r . Bài 5. Cho a r = (1; –1; 1), b r = (3; 0; –1), c r = (2; 2; –1). a. Tìm u (a.b).c= r r r r b. Tìm 3 2 2 1 2 3 u (a) (a) .b (b) .c 3 3 10 = − + r r r r r r Bài 6. Tính góc giữa hai vector sau a. a r = (2; 1; 2) và b r = (–1; 2; 0) b. a r = (1; 3 ; 2 3 ) và b r = (0; 4; 3) c. a r = (–2; –1; 2) và b r = (0; 1; –1) Bài 7. Cho a r = (3; 3; 2), b r = (4; 3; –5), c r = (1; 1; –1). Tìm vector u r thỏa mãn điều kiện sau: a. a.u 2;b.u 0;c.u 1 = = = − r r r r r r b. u a,u b,u.c 5 ⊥ ⊥ = − r r r r r r Bài 8. Cho hai vector a r = (3; –2; 1) và b r = (2; 1; –1). Tìm m để ma 3b − r r và 3a 2mb + r r cùng phương. Bài 9. Cho a r = (2; 3; 1), b r = (5; 6; 4), c r = (m; n; 1). Tìm m, n sao cho c [a,b] = r r r Bài 10. Cho a r = (1; –3; 2), b r = (m + 1, m – 2, 1 – m), c r = (0; m – 2; 2). Tìm m sao cho ba vector đó đồng phẳng. Bài 11. Cho a r = (1; 0; 1), b r = (0; –1; 1), c r = (1; 1; 0), u r = (8; 9; –1). a. Chứng minh a r , b r , c r không đồng phẳng. b. Biểu diễn u r theo ba vector a r , b r , c r . Bài 12. Cho M(1; 2; 3). Tìm tọa độ hình chiếu vuông góc của M lên các mặt phẳng Oxy, Oyz, Ozx. Bài 13. Cho M(3; –1; 2). Tìm tọa độ điểm M’ đối xứng với M qua mặt phẳng Oyz và qua trục Oy. Bài 14. Cho A(1; 0; 0), B(0; 0; 1), C(2; 1; 1). a. Chứng minh A, B, C là ba đỉnh của một tam giác. b. Tìm tọa độ trọng tâm G của ΔABC. c. Tìm điểm D sao cho ABCD là hình bình hành. d. Tìm tọa độ trực tâm ΔABC. e. Tính số chu vi và diện tích ΔABC. f. Tính chiều dài đường cao hạ từ đỉnh A của ΔABC. Bài 15. Trên mặt phẳng Oxy, tìm điểm cách đều ba điểm: a. A(1; 1; 1), B(–1; 1; 0), C(3; 1; –1) b. A(1; 0; 2), B(–2; 1; 1), C(1; –3; –2) Vấn đề 2: Ứng dụng tọa độ vector và điểm vào hình học Bài 16. Cho bốn điểm A(1; 1; 0), B(0; 2; 1), C(1; 0; 2), D(1; 1; 1). a. Chứng minh A, B, C, D lập thành tứ diện. b. Tìm tọa độ trọng tâm G của tứ diện. c. Tính thể tích khối tứ diện ABCD. d. Tính diện tích ΔBCD và suy ra đường cao của tứ diện ABCD hạ từ A. Bài 17. Cho 4 điểm S(3; 1; –2), A(5; 3; 1), B(2; 3; –4), C(1; 2; 0). a. Chứng minh SA vuông góc với (SBC), SB vuông góc với SC. b. Chứng minh S.ABC là một hình chóp đều. c. Tìm tọa độ hình chiếu vuông góc H của S trên mặt phẳng (ABC). Từ đó tính chiều cao SH. Bài 18. Cho bốn điểm S(1; 2; 3), A(2; 2; 3), B(1; 3; 3), C(1; 2; 4). a. Chứng minh SA, SB, SC đôi một vuông góc nhau. b. Gọi M, N, P lần lượt là trung điểm BC, CA, AB. Chứng minh SMNP là tứ diện đều. c. Vẽ SH vuông góc với (ABC) tại H. Gọi H’ là điểm đối xứng của H qua S. Chứng minh H’ABC là tứ diện đều. Bài 19. Cho hình hộp chữ nhật ABCD.EFGH. Gọi I là tâm của hình hộp. a. Phân tích vector AI uur theo các vector AB,AC,AD uuur uuur uuur b. Phân tích vector CI uur theo các vector GF,GH,GI uuur uuur uur Bài 20. Cho hình hộp ABCD.A’B’C’D’. Gọi M, N lần lượt là trung điểm AD và BB’. Chứng minh MN vuông góc với A’C. Bài 21. Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’ có cạnh bằng 1. Trên các cạnh BB’, CD, A’D’ lần lượt lấy các điểm M, N, P sao cho B’M = CN = D’P = x (0 < x < 1). Chứng minh A’C vuông góc với mặt phẳng (MNP). Vấn đề 3: Phương trình mặt cầu – Vị trí tương đối giữa hai mặt cầu Cách lập phương trình mặt cầu: Cách 1: Tìm tâm và bán kính rồi viết theo phương trình chính tắc: (x – a)² + (y – b)² + (z – c)² = R². Cách 2: Viết phương trình dạng tổng quát mặt cầu: x² + y² + z² – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 rồi sử dụng các điều kiện hay điểm cho trước tìm a, b, c, d. Bài 22. Tìm tâm và bán kính các mặt cầu sau: a. x² + y² + z² – 8x + 2y + 1 = 0 b. x² + y² + z² + 4x + 8y – 2z – 4 = 0 c. x² + y² + z² –6x + 2y – 2z + 10 = 0 d. 2x² + 2y² + 2z² + 12x – 6y + 30z – 5 = 0 Bài 23. Viết phương trình mặt cầu có a. Tâm I(1; –3; 5) và bán kính R = 3 b. Tâm I(0; 3; –2) và đi qua điểm A(2; 1; –3) c. Đường kính AB với A(3; –2; 1) và B(1; 2; –3). Bài 24. Viết phương trình mặt cầu ngoại tiếp tứ diện ABCD nếu a. A(1; 1; 0), B(0; 2; 1), C(1; 0; 2), D(1; 1; 1) b. A(2; 0; 0), B(0; 4; 0), C(0; 0; 6), D(2; 4; 6) Bài 25. Viết phương trình mặt cầu có a. Tâm thuộc mặt phẳng Oxz và đi qua các điểm A(1; 2; 0), B(–1; 1; 3), C(2; 0; –1). b. Có tâm I(–5; 1; 1) và tiếp xúc với mặt cầu (T): x² + y² + z² – 2x + 4y – 6z + 5 = 0. Bài 26. Xét vị trí tương đối hai mặt cầu sau a. (S 1 ): x² + y² + z² – 8x + 4y – 2z – 4 = 0 và (S 2 ): x² + y² + z² + 4x – 2y – 4z + 5 = 0 b. (S 1 ): x² + y² + z² – 2x + 4y – 10z + 5 = 0 và (S 2 ): x² + y² + z² – 4x – 6y + 2z – 2 = 0 c. (S 1 ): x² + y² + z² + 4x – 2y + 2z – 3 = 0 và (S 2 ): x² + y² + z² – 6x + 4y – 2z – 2 = 0 Bài 27. Biện luận theo m vị trí tương đối của hai mặt cầu: a. (S 1 ): x² + y² + z² – 4x – 2y + 6z – 50 = 0 và (S 2 ): x² + y² + z² – 8x + 4y – 6z – m² – 4m + 25 = 0 b. (S 1 ): (x + 2)² + (y – 2)² + (z – 1)² = 25 và (S 2 ): (x + 1)² + (y + 2)² + (z + 3)² = (m – 1)². Bài 28. Cho hai điểm A(1; 2; 1), B(3; 1; –1). Tìm tập hợp điểm M sao cho a. MA² + MB² = 3 b. MA = 2MB Bài 29. Tìm tập hợp tâm các mặt cầu sau đây a. (S): x² + y² + z² + 2x – 2y + 2(m + 1)z + m² + m + 6 = 0 b. (S): x² + y² + z² + 2(m – 1)x + 4(m – 2)y – 2mz + 17 = 0 III. Phương trình mặt phẳng 1. Vector pháp tuyến – vector chỉ phương Vector n 0≠ r r là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (α) nếu giá của n r vuông góc với mặt phẳng (α). Vectơ u 0≠ r r là vectơ chỉ phương của mặt phẳng (α) nếu giá của u r song song với mặt phẳng (α). Nếu có cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng (α) là a,b r r thì một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (α) là n [a,b]= r r r 2. Phương trình của mặt phẳng Phương trình tổng quát của mặt phẳng: Ax + By + Cz + D = 0 với A² + B² + C² > 0. Khi đó: n r = (A, B, C) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng. Mặt phẳng (P) đi qua điểm M(x o ; y o ; z o ) và nhận n r = (A, B, C) làm vectơ pháp tuyến có phương trình là (P): A(x – x o ) + B(y – y o ) + C(z – z o ) = 0. Nếu mặt phẳng (α) cắt các trục tọa độ Ox, Oy, Oz lần lượt tại A(a; 0; 0), B(0; b; 0), C(0; 0; c) sao cho abc ≠ 0 thì phương trình mặt phẳng là x y z 1 a b c + + = . Đây là phương trình theo đoạn chắn. 3. Vị trí tương đối của hai mặt phẳng Cho hai mặt phẳng (α): A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 và (β): A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0 (α), (β) cắt nhau khi và chỉ khi 1 2 [n , n ] 0≠ r r r (α), (β) song song khi và chỉ khi 1 2 [n , n ] 0= r r r và 1 2 2 1 D n D n≠ r r (α), (β) trùng nhau khi và chỉ khi 1 2 [n , n ] 0= r r r và 1 2 2 1 D n D n= r r 4. Khoảng cách từ một điểm đến mặt phẳng Khoảng cách từ điểm M(x o ; y o ; z o ) đến mặt phẳng (α): Ax + By + Cz + D = 0 là o o o 2 2 2 Ax By Cz D d(M,α) A B C + + + = + + 5. Góc tạo bởi hai mặt phẳng Góc tạo bởi hai mặt phẳng là góc nhọn bằng hoặc bù với góc tạo bởi hai pháp tuyến. Cho hai mặt phẳng (α): A 1 x + B 1 y + C 1 z + D 1 = 0 và (β): A 2 x + B 2 y + C 2 z + D 2 = 0. Góc tạo bởi (α), (β) là góc φ thỏa mãn 1 2 1 2 1 2 1 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 1 1 2 2 2 n .n A A B B C C cosφ n n A B C . A B C + + = = + + + + r r r r 6. Vị trí tương đối giữa điểm và mặt phẳng Một điểm nằm trong mặt phẳng sẽ có tọa độ thỏa mãn phương trình mặt phẳng. Hai điểm A(x 1 ; y 1 ; z 1 ) và B(x 2 ; y 2 ; z 2 ) nằm về hai phía của mặt phẳng (P): Ax + By + Cz + D = 0 nếu (Ax 1 + By 1 + Cz 1 + D)(Ax 2 + By 2 + Cz 2 + D) < 0. 7. Vị trí tương đối giữa mặt phẳng và mặt cầu Cho mặt phẳng (α): Ax + By + Cz + D = 0 và mặt cầu (S): (x – a)² + (y – b)² + (z – c)² = R² có tâm I(a; b; c) và bán kính R. mặt phẳng (α) cắt mặt cầu (S) theo một giao tuyến là đường tròn nếu d(I, α) < R. Khi đó bán kính đường tròn giao tuyến bằng r = 2 2 R d (I,α)− mặt phẳng (α) tiếp xúc (S) khi và chỉ khi d(I, α) = R. mặt phẳng (α) và (S) không giao nhau khi và chỉ khi d(I, α) > R. 8. Phương trình tiếp diện của mặt cầu Mặt phẳng (α) tiếp xúc với mặt cầu (S): (x – a)² + (y – b)² + (z – c)² = R² tại điểm M(x o ; y o ; z o ) nhận IM uuur = (x o – a; y o – b; z o – c) làm vectơ pháp tuyến. (α): (x o – a)(x – x o ) + (y o – b)(y – y o ) + (z o – c)(z – z o ) = R² hay (α): (x o – a)(x – a) + (y o – b)(y – b) + (z o – c)(z – c) = 0. Bài 30. Viết phương trình mặt phẳng (P) nếu a. (P) đi qua điểm M(3; 1; 1) và có một vectơ pháp tuyến là n r = (1; –1; 2) b. (P) là mặt phẳng trung trực của AB với A(2; 1; 1) và B(2; –1; 3) c. (P) đi qua điểm M(1; 2; –3) và có cặp vectơ chỉ phương a r = (2; 1; 2), b r = (3; 2; –1) d. (P) đi qua M(–1; 1; 0) và song song với mặt phẳng (β): x – 2y + z – 10 = 0 e. (P) đi qua hai điểm A(3; 1; –1), B(1; 3; –2) và vuông góc với mặt phẳng (β): 2x – y + 3z – 1 = 0. f. (P) đi qua ba điểm A(2; 0; 0), B(0; –1; 0), C(0; 0; –3). g. (P) đi qua điểm A(2; –4; 0) và vuông góc với đoạn thẳng BC, có B(5; 1; 7) và C(3; 1; 5). h. (P) đi qua M(1; 0; –2) và vuông góc với hai mặt phẳng (α): 2x + y – z – 2 = 0, (β): x – y – z – 3 = 0. i. (P) đi qua điểm M(1; 2; –3), chứa giao tuyến của hai mặt phẳng (α): 2x – 3y + z – 5 = 0 và (β): 3x – 2y + 5z – 1 = 0. Bài 31. Viết phương trình mặt phẳng chứa giao tuyến của hai mặt phẳng (P): y + 2z – 4 = 0, (Q): x + y – z – 3 = 0 và vuông góc với mặt phẳng (R): x + y + z – 2 = 0. Bài 32. Xét vị trí tương đối giữa hai mặt phẳng sau: a. (P): 2x + 3y – 2z + 5 = 0 và (Q): 3x + 4y – 8z – 5 = 0. b. (P): x – y – 2z + 1 = 0 và (Q): 4x – 4y – 8z + 9 = 0. Bài 33. Định m, n để hai mặt phẳng sau song song a. (P): x + my – 2z + 2 = 0 và (Q): 2x + 4y + 4nz – 3 = 0. b. (P): 2x + y + 3z – 5 = 0 và (Q): 4mx – 3y – 3nz – 2 = 0. Bài 34. Xác định m để hai mặt phẳng sau vuông góc nhau a. (P): (2m – 1)x – 3my + 2z – 3 = 0 và (Q): mx + (m – 1)y + 4z – 5 = 0 b. (P): x + my – z + 2 = 0 và (Q): mx + 2y – mz – 12 = 0. Bài 35. Cho mặt phẳng (P): 2x – y – 2z – 8 = 0 và điểm M(–2; –4; 5). a. Tính khoảng cách từ M đến mặt phẳng (P). b. Tìm tọa độ hình chiếu vuông góc của M trên (P). c. Tìm tọa độ điểm M’ đối xứng với M qua mặt phẳng (P). Bài 36. Cho hai mặt phẳng (P): x – 2y + 3z + 1 = 0 và (Q): 2x – 4y + 6z + 7 = 0. a. Chứng minh (P), (Q) song song. b. Tính khoảng cách giữa hai mặt phẳng (P), (Q). Bài 37. Tìm tập hợp các điểm cách mặt phẳng (P): x – 2y + 2z – 7 = 0 một đoạn d = 3. Bài 38. Cho hai mặt phẳng (P): 3x + 6y – 3z + 7 = 0 và (Q): x + 2y – z + 1 = 0. a. Chứng minh (P)//(Q) b. Tìm tập hợp các điểm cách đều (P) và (Q). c. Tìm tập hợp các điểm M sao cho d[M, (P)] = 2d[M, (Q)] Bài 39. Viết phương trình mặt phẳng (P) song song với (Q): x + 2y – 2z + 5 = 0 và cách điểm A(2; – 1; 4) một đoạn bằng 4. Bài 40. Tính góc giữa hai mặt phẳng (P): 2x + y – 2z + 1 = 0 và (Q): y – z = 0. Bài 41. Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm I và tiếp xúc mặt phẳng (P) biết a. I(1; 5; 2) và (P): 2x + y + 3z + 1 = 0 b. I(1; 1; 2) và (P): x + 2y + 2z + 5 = 0 Bài 42. Viết phương trình mặt phẳng (P) tiếp xúc mặt cầu (S) tại điểm M biết a. (S): x² + y² + z² – 2x – 2y – 2z – 22 = 0 và M(4; –3; 1). b. (S): x² + y² + z² – 6x – 2y + 4z + 5 = 0 và M(1; 2; –4). Bài 43. Viết phương trình mặt phẳng (P) tiếp xúc mặt cầu (S) và song song với mặt phẳng (Q) biết a. (S): x² + y² + z² – 6x + 4y + 2z – 11 = 0 và (Q): 4x + 3z – 17 = 0 b. (S): x² + y² + z² – 2x – 4y + 4z = 0 và (Q): x + 2y + 2z + 5 = 0 Bài 44. Cho 4 điểm A(2; 0; 0), B(0; 4; 0), C(0; 0; 6), D(2; 4; 6) a. Viết phương trình các mặt của tứ diện ABCD. b. Viết phương trình mặt phẳng chứa AB và song song với CD. c. Viết phương trình mặt phẳng đi qua A và song song với mặt phẳng (BCD). d. Viết phương trình mặt phẳng trung trực của cạnh AB. e. Viết phương trình mặt cầu (S) ngoại tiếp tứ diện ABCD. f. Tính bán đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC. Bài 45. Cho 4 điểm A(1; 1; 1), B(3; 3; 1), C(3; 1; 3) và D(1; 3; 3). a. Chứng minh ABCD là tứ diện đều. b. Viết phương trình các mặt phẳng (ABC), (ABD), (ACD), (BCD). c. Tính góc giữa các cặp mặt phẳng (ABC) và (ABD), (BCD) và (ACD). IV. Phương trình đường thẳng 1. Phương trình tham số và chính tắc của đường thẳng: Phương trình tham số đường thẳng đi qua M(x o ; y o ; z o ) và có vectơ chỉ phương u r = (a, b, c) có dạng (d): o o o x x at y y bt (t R) z z ct = + = + ∈ = + Nếu abc ≠ 0 thì phương trình chính tắc của đường thẳng trên là (d): o o o x x y y z z a b c − − − = = 2. Vị trí tương đối giữa hai đường thẳng: Cho hai đường thẳng (d 1 ), (d 2 ) có phương trình lần lượt là d 1 : 1 1 1 1 1 1 x x a t y y b t (t R) z z c t = + = + ∈ = + d 2 : 2 2 2 2 2 2 x x a s y y b s (s R) z z c s = + = + ∈ = + Ta có 1 u r = (a 1 ; b 1 ; c 1 ), 2 u r = (a 2 ; b 2 ; c 2 ) lần lượt là vectơ chỉ phương của (d 1 ), (d 2 ). Trên (d 1 ) lấy điểm M 1 (x 1 ; y 1 ; z 1 ), trên (d 2 ) lấy điểm M 2 (x 2 ; y 2 ; z 2 ). d 1 // d 2 khi và chỉ khi 1 2 [u ,u ] 0= r r r và 1 2 1 [M M ,u ] 0≠ uuuuuur r r d 1 cắt d 2 khi và chỉ khi 1 2 1 2 1 2 [u ,u ] 0 [u ,u ].M M 0 ≠ = r r r uuuuuur r r d 1 trùng d 2 khi và chỉ khi 1 2 1 2 1 [u ,u ] 0 [M M ,u ] 0 = = r r r uuuuuur r r d 1 và d 2 chéo nhau khi và chỉ khi 1 2 1 2 [u ,u ].M M 0 ≠ uuuuuur r r 3. Vị trí tương đối giữa một đường thẳng và một mặt phẳng Cho mặt phẳng (α): Ax + By + Cz + D = 0 và đường thẳng (d): o o o x x at y y bt (t R) z z ct = + = + ∈ = + Giả sử (d) ∩ (α) = M. M thuộc (d) nên M(x o + at; y o + bt; z o + ct) Mặt khác M thuộc (α) nên ta có phương trình A(x o + at) + B(y o + bt) + C(z o + ct) + D = 0 (theo ẩn t) (*) (d) // (α) khi và chỉ khi phương trình (*) vô nghiệm (d) cắt (α) khi và chỉ khi phương trình (*) có nghiệm duy nhất. (d) thuộc (α) khi và chỉ khi phương trình (*) có nghiệm với mọi t. 4. Vị trí tương đối giữa mặt phẳng và mặt cầu Xét đường thẳng (Δ) và mặt cầu (S) có tâm I, bán kính R. (Δ) và (S) không có điểm chung khi và chỉ khi d(I, Δ) > R. (Δ) và (S) tiếp xúc nhau khi và chỉ khi d(I, Δ) = R. (Δ) và (S) cắt nhau tại hai điểm phân biệt khi và chỉ khi d(I, Δ) < R. Để tìm giao điểm (Δ) và (S) có thể lập phương trình tham số của Δ sau đó thay (x; y; z) theo t vào phương trình mặt cầu và giải được giá trị của t. Sau đó suy ra tọa độ giao điểm. 5. Khoảng cách từ một điểm đến một đường thẳng Cho đường thẳng (Δ) đi qua M o và có vectơ chỉ phương a r và điểm M ngoài đường thẳng Δ. d(M, Δ) = o [MM ,a] a uuuuuur r r 6. Khoảng cách giữa hai đường chéo nhau Cho hai đường thẳng Δ 1 và Δ 2 . Cho đường thẳng Δ 1 đi qua M 1 và có vectơ chỉ phương 1 a r . Cho đường thẳng Δ 2 đi qua M 2 và có vectơ chỉ phương 2 a r . Khoảng cách giữa chúng là d(Δ 1 , Δ 2 ) = 1 2 1 2 1 2 [a ,a ].M M [a ,a ] uuuuuur r r r r 7. Khoảng cách giữa một đường thẳng và một mặt phẳng song song Khoảng cách giữa đường thẳng d với mặt phẳng (α) // d bằng khoảng cách từ một điểm trên d đến mặt phẳng (α). 8. Góc giữa hai đường thẳng Cho hai đường thẳng d 1 , d 2 có các vectơ chỉ phương lần lượt là 1 2 a ,a . r r Góc giữa d 1 , d 2 là góc nhọn bằng hoặc bù với góc giữa hai vectơ chỉ phương. 1 2 1 2 1 2 a .a cos(a ,a ) a a = r r r r r r 9. Góc giữa một đường thẳng và mặt phẳng Góc giữa đường thẳng d và mặt phẳng (α) bằng góc giữa d và hình chiếu vuông góc d’ của d lên mặt phẳng (α). Góc giữa chúng là góc nhọn sao cho góc tạo bởi d và pháp tuyến của (α) phụ với góc đó. 2 2 2 2 2 2 Aa Bb Cc sin(d,α) A B C a b c + + = + + + + Vấn đề 1: Lập phương trình đường thẳng. Cách lập phương trình đường thẳng: cần tìm một điểm đường thẳng đi qua và xác định vectơ chỉ phương. Vectơ chỉ phương có thể tạo thành từ hai điểm đường thẳng đi qua hoặc từ tích có hướng hai vectơ pháp tuyến, tìm được từ các quan hệ vuông góc hoặc song song. Bài 46. Viết phương trình đường thẳng d biết a. (d) đi qua M(1; 2; –3) và có vectơ chỉ phương a r = (1; –3; 2). b. (d) đi qua hai điểm A(2; 1; 0) và B(0; 1; 2). c. (d) đi qua điểm A(3; 2; –4) và song song với Ox. d. (d) đi qua điểm A(4; –2; 2) và song song với đường thẳng Δ: x 2 y 5 z 2 4 2 3 + − − = = . e. (d) đi qua điểm A(3; 2; 1) và vuông góc với mặt phẳng (P): 2x – 5y + 4 = 0. f. (d) là giao tuyến của hai mặt phẳng (P): 2x + y – z + 3 = 0 và (Q): x + y + z – 1 = 0. g. (d) đi qua điểm A(1; 0; 5) và vuông góc với đường thẳng (d 1 ): x 1 y 3 z 1 2 2 1 − − − = = − và đường thẳng (d 2 ): x 1 y 2 z 3 1 1 3 − − − = = − − . h. (d) đi qua điểm A(1; 2; –2), vuông góc và cắt đường thẳng Δ: x y 1 z 1 1 2 − = = i. (d) đi qua điểm A(2; 1; –1) và cắt các đường thẳng Δ 1 : x 1 y 2 z 3 3 4 5 − + + = = , Δ 2 : x y z 1 1 2 = = − Bài 47. Viết phương trình đường thẳng d biết a. (d) nằm trong mặt phẳng (P): x + 2z = 0; cắt đường thẳng d 1 : x 1 y z 1 1 4 − = = − và d 2 : x 2 t y 4 2t z 1 = − = + = b. (d) song song với Δ: x y 1 z 1 2 1 2 − − = = − , cắt đường thẳng d 1 : x 1 y z 1 1 2 1 + − = = − và cắt đường thẳng d 2 : x 2 y 1 z 1 3 2 1 − + − = = − c. (d) là đường thẳng vuông góc chung của d 1 : x 2 y 1 z 3 2 1 1 − − − = = − và d 2 : x 1 y 3 z 1 1 1 2 − − − = = d. (d) là hình chiếu vuông góc của đường thẳng Δ: x 2 y 2 z 1 3 4 1 − + − = = lên mặt phẳng (P): x + 2y + 3z + 4 = 0. e. (d) đi qua điểm A(0; 1; 1), vuông góc với d 1 : x 1 y 2 z 3 1 1 − − = = và cắt d 2 : x 1 y t z 1 t = − = = + Bài 48. Cho tứ diện ABCD có A(1; 0; 0), B(0; 1; 0), C(0; 0; 1), D(1; 1; 1). a. Viết phương trình đường thẳng qua C và vuông góc với mặt phẳng (ABD). b. Viết phương trình đường thẳng qua A và qua trọng tâm tam giác BCD. Bài 49. Cho tam giác ABC có đỉnh A(1; 2; 5); phương trình của hai đường trung tuyến lần lượt là d 1 : x 3 y 6 z 3 2 2 1 − − − = = − và d 2 : x 4 y 2 z 2 . 1 4 1 − − − = = − a. Viết phương trình đường thẳng chứa các cạnh của ABC. b. Viết phương trình đường phân giác trong của góc BAC. Bài 50. Cho tam giác ABC có A(3; –1; –1), B(1; 2; –7), C(–5; 14; –3). a. Viết phương trình đường trung tuyến AM. b. Viết phương trình đường cao BH. c. Viết phương trình đường phân giác trong của góc ABC. d. Viết phương trình đường trung trực của cạnh BC trong ΔABC. Bài 51. Cho bốn điểm S(1; –2; 3), A(2; –2; 3), B(1; –1; 3), C(1; –2; 5). a. Chứng minh S.ABC là một tứ diện đều. b. Viết phương trình hình chiếu vuông góc của SA, SB lên mặt phẳng (ABC). Bài 52. Cho 4 điểm S(1; 2; –1), A(3; 4; –1), B(1; 4; 1), C(3; 2; 1). a. Chứng minh SABC là một tứ diện. b. Viết phương trình đường vuông góc chung của SA, BC. c. Viết phương trình đường cao hạ từ S của tứ diện SABC. Vấn đề 2: Vị trí tương đối giữa đường thẳng với điểm, mặt phẳng và mặt cầu. Bài 53. Cho điểm A(1; 0; 1) và đường thẳng d: x y z 2 1 1 = = a. Tìm tọa độ hình chiếu vuông góc của A trên d. b. Tìm tọa độ điểm A’ đối xứng với A qua d. Bài 54. Cho đường thẳng d: x 3 y 4 z 1 2 3 1 − − − = = và mặt phẳng (P): 3x + 5y – z – 6 = 0. a. Tìm tọa độ giao điểm của d và (P). b. Viết phương trình d’ là hình chiếu vuông góc của d lên mặt phẳng (P). Bài 55. Cho đường thẳng d: x 2 y 1 z 1 2 1 2 − + − = = và điểm I(4; 2; –1). Viết phương trình mặt cầu (S) tâm I và tiếp xúc với (d). Bài 56. Cho mặt cầu (S) có tâm I(2; 1; 3) và bán kính R = 3. Viết phương trình tiếp tuyến (d) của (S) biết (d) đi qua A(0; 0; 5) thuộc (S) và (d) song song với mặt phẳng (α): 3x – 2y + 2z + 3 = 0. Bài 57. Cho tứ diện ABCD có A(1; 0; 2), B(2; –1; 1), C(0; 2; 1), D(–1; 3; 0). Viết phương trình mặt cầu (S) tiếp xúc với các cạnh của tứ diện ABCD. Vấn đề 3: Khoảng cách và góc Bài 58. Cho điểm A(1; 0; 0) và đường thẳng (d): x 2 y 1 z 1 2 1 − − = = . Tính khoảng cách từ A đến (d). Bài 59. Cho hai đường thẳng d 1 : x 2 y 1 z 3 2 2 − + = = − và d 2 : x y 1 z 1 1 2 4 − + = = a. Chứng tỏ hai đường thẳng đó chéo nhau. b. Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng d 1 và d 2 . Bài 60. Cho đường thẳng (d) là giao tuyến của hai mặt phẳng (P): 3x – 2y + z + 3 = 0 và (Q): 4x – 3y + 4z + 2 = 0. Chứng minh rằng (d) song song với mặt phẳng (α): 2x – y – 2z – 2 = 0. Tính khoảng cách giữa (d) và (P). Bài 61. Tính góc giữa hai đường thẳng sau a. d 1 : x 1 y 2 z 4 2 1 2 − + − = = − và d 2 : x 2 y 3 z 4 3 6 2 + − + = = − Bài 62. Cho đường thẳng d: x 1 y 1 x 3 1 2 3 − − + = = − và mặt phẳng (P): 2x – y – 2z – 10 = 0. Tính góc tạo bởi đường thẳng (d) và mặt phẳng (P). Bài 63. Cho tứ diện ABCD có A(3; 2; 6), B(3; –1; 0), C(0; –7; 3), D(–2; 1; –1). a. Tính góc giữa AD và mặt phẳng (ABC). b. Tính góc giữa AB và trung tuyến AM của tam giác ACD. c. Chứng minh AB vuông góc với mặt phẳng (BCD). Tính thể tích của tứ diện ABCD. Bài 64. Cho tứ diện SABC có đỉnh S(1; 2; 1), A(3; 2; 1), B(1; 3; 1), C(1; –2; 5). a. Tính góc tạo bởi SC và mặt phẳng (ABC). b. Tính góc tạo bởi SC và AB. c. Tính khoảng cách từ C đến (SAB). d. Tính khoảng cách từ C đến cạnh AB và khoảng cách giữa SA, BC. Vấn đề 4: Quan hệ nhiều yếu tố, hình chiếu và đối xứng. Bài 65. Viết phương trình mặt phẳng chứa điểm A(1; 4; –3) và đường thẳng d: x 2 y 1 z 1 1 2 3 − + − = = − − . Bài 66. Viết phương trình mặt phẳng chứa cả hai đường thẳng song song d 1 : x 1 y 3 z 2 2 3 4 − + − = = và d 2 : x 2 y 1 z 4 2 3 4 + − − = = . Bài 67. Viết phương trình mặt phẳng chứa đường thẳng d 1 : x y 1 z 3 3 2 1 − − = = − và d 2 : x 1 y z 4 1 1 1 − − = = − Bài 68. Cho hai đường thẳng d 1 : x 2 y 1 z 3 2 2 − + = = − và d 2 : x y 1 z 1 1 2 4 − + = = . Viết phương trình mặt phẳng chứa d 1 và song song với d 2 . Bài 69. Cho điểm M(2; 3; 1) và đường thẳng d: x 1 y 2 z 1 2 1 2 − − + = = − . a. Tìm tọa độ của H là hình chiếu vuông góc của M lên (d). b. Tìm tọa độ của điểm M’ đối xứng với M qua (d). Bài 70. Tìm tọa độ hình chiếu vuông góc H của M trên mặt phẳng (P) và điểm M’ đối xứng với M qua mặt phẳng (P) biết a. (P): 2x – y + 2z – 6 = 0, M(2; –3; 5). b. (P): x – y + z – 4 = 0, M(2; 1; –1). Bài 71. Cho hai điểm A(1; 2; –1), B(7; –2; 3) và đường thẳng d: x 1 y 2 z 2 3 2 2 + − − = = − . a. Chứng minh đường thẳng d và đường thẳng AB cùng thuộc một mặt phẳng. [...]... (d) sao cho IA + IB nhỏ nhất Bài 72 Trong không gian Oxyz cho 4 điểm A(1; 2; 3), B(–2; 1; 0), C(–1; 0; 2), D(0; 2; 3) a Chứng minh ABCD là tứ diện Tính thể tích tứ diện đó b Viết phương trình mặt phẳng (α) đi qua A, B và vuông góc với mặt phẳng 2x + 3y – z = 0 c Viết phương trình mặt phẳng đi qua A và chắn các nửa trục dương Ox, Oy, Oz lần lượt tại K, M, N sao cho thể tích OKMN nhỏ nhất d Lập phương... (α1): 2x – 3y – z + 2 = 0 sao cho EA + EB nhỏ nhất f Viết phương trình hình chiếu vuông góc của đường thẳng AB lên mặt phẳng (α 2): x + 3y – z = 0 g Tính góc tạo bởi đường thẳng AB và mặt phẳng (BCD) h Lập phương trình mặt cầu có tâm thuộc mặt phẳng Oxy và đi qua ba điểm A, B, C i Viết phương trình mặt phẳng đi qua C, song song với Oy và vuông góc với mặt phẳng (α 3): x + 2y – 3z = 0 . phẳng và mặt cầu Xét đường thẳng (Δ) và mặt cầu (S) có tâm I, bán kính R. (Δ) và (S) không có điểm chung khi và chỉ khi d(I, Δ) > R. (Δ) và (S) tiếp xúc nhau khi và chỉ khi d(I, Δ) = R. (Δ) và. c r . Bài 12. Cho M(1; 2; 3). Tìm tọa độ hình chiếu vuông góc của M lên các mặt phẳng Oxy, Oyz, Ozx. Bài 13. Cho M(3; –1; 2). Tìm tọa độ điểm M’ đối xứng với M qua mặt phẳng Oyz và qua trục Oy. Bài. vector và điểm vào hình học Bài 16. Cho bốn điểm A(1; 1; 0), B(0; 2; 1), C(1; 0; 2), D(1; 1; 1). a. Chứng minh A, B, C, D lập thành tứ diện. b. Tìm tọa độ trọng tâm G của tứ diện. c. Tính thể tích