ÔN THI ĐẠI HỌC CHUYÊN ĐỀ 11 HÌNH HỌC GIẢI TÍCH TRONG KHÔNG GIAN

hinh hoc giai tich trong khong gian

Trang 1

Chuyên đề LTĐH Huỳnh Chí Hào – boxmath.vn

Chuyên đề 11: HÌNH HỌC GIẢI TÍCH TRONG

KHÔNG GIAN

A KIẾN THỨC CƠ BẢN

PHƯƠNG PHÁP TOẠ ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN

TỌA ĐỘ ĐIỂM - TỌA ĐỘ VÉC TƠ

I Hệ trục toạ độ ĐỀ-CÁC trong không gian

• x'Ox : trục hoành

• y'Oy : trục tung

• z'Oz : trục cao

• O : gốc toạ độ

•

, ,

i j k: véc tơ đơn vị

(hay i; j; k : véc tơ đơn vị )

Quy ước : Không gian mà trong đó có chọn hệ trục toạ độ Đề-Các vuông góc Oxyz được gọi là

không gian Oxyz và ký hiệu là : kg(Oxyz)

II Toạ độ của một điểm và của một véc tơ:

1 Định nghĩa 1: Cho M∈kg Oxyz( ) Khi đó véc tơ OM được biểu diển một cách duy nhất theo

i j k, , bởi hệ thức có dạng : = + ∈

+ y với x,y,z

OM xi y j k Bộ số (x;y;z) trong hệ thức trên được gọi là toạ độ của điểm M

Ký hiệu: M(x;y;z) ( x: hoành độ của điểm M; y: tung độ của điểm M, z: cao độ của điểm M )

⇔ = + +

/

( ; ; ) đ n

• Ý nghĩa hình học:

; y= OQ ; z = OR

x = OP

O

z

'

x

y

x

'

i

'

z

O

z

y x

M

z

y

x

z

y x

p

1

M

Q

3

M

2

M R

O

Trang 2

103

2 Định nghĩa 2: Cho a kg Oxyz∈ ( )

Khi đó véc tơ a được biểu diển một cách duy nhất theo i j k, , bởi hệ thức có dạng : = + ∈

1 2 + a với a ,a ,a3 1 2 3

Bộ số (a1;a2;a3) trong hệ thức trên được gọi là toạ độ của véc tơ a Ký hiệu: =a ( ; ; )a a a1 2 3

⇔ = + +

=(a ;a ;a ) đ n

II Các công thức và định lý về toạ độ điểm và toạ độ véc tơ :

☞Định lý 1: Nếu A x y z( ; ; ) và B(x ; ; )A A A B y zB B thì

AB=(xB−x yA; B−y zA; B−zA)

☞Định lý 2: Nếu a=( ; ; ) và a a a1 2 3 b=( ; ; )b b b1 2 3

thì

*

a

b

a b

=





= ⇔  =

 =



* a b+ =(a1+b a1 2; +b a2; 3+b3)

* a b− =(a1−b a1 2; −b a2; 3−b3)

* k a =( ;ka ka ka1 2; 3)

(k ∈ ) III Sự cùng phương của hai véc tơ:

Trang 3

Nhắc lại

• Hai véc tơ cùng phương là hai véc tơ nằm trên cùng một đường thẳng hoặc nằm trên hai đường thẳng

song song

• Định lý về sự cùng phương của hai véc tơ:

☞ Định lý 3 : Cho hai véc tơ a và với b b ≠0

cùng phương a b ⇔ ∃ !k∈ sao cho a =k b.

Nếu a ≠ 0 thì số k trong trường hợp này được xác định như sau:

k a

b

=

☞ Định lý 4 : A B C, , thẳng hàng ⇔ AB cùng phương AC

☞ Định lý 5: Cho hai véc tơ a=( ; ; ) và a a a1 2 3 b=( ; ; )b b b1 2 3

ta có :

a cùng phương a : : : :

kb

a kb

=





 =



IV Tích vô hướng của hai véc tơ:

Nhắc lại:

.a b= a b .cos( , )a b

a2 = a2

a⊥b ⇔ a b=0

ta có :

a b =a b1 1+a b2 2+a b3 3

Định lý 7: Cho hai véc tơ a=( ; ; ) a a a1 2 3

ta có :

Trang 4

105

2 2 2

a = a +a +a

☞ Định lý 8: Nếu A x y z( ; ; ) và B(x ; ; )A A A B y zB B thì

AB= (xB−xA)2 +(yB−yA)2+(zB−zA)2

ta có :

a⊥b ⇔ a1 1b +a b2 2+a b3 3 =0

ta có :

cos( , )

a b

V Điểm chia đoạn thẳng theo tỷ số k:

Định nghĩa : Điểm M được gọi là chia đoạn AB theo tỷ số k ( k ≠1 ) nếu như :

MA=k MB

• • •

☞ Định lý 11 : Nếu A x y z( ; ; ) , B(x ; ; )A A A B y zB B và MA=k MB

( k ≠1 ) thì

1 1 1

M

x

k

y

k

z

k

−



=



−



=



−



−



=



−



Đặc biệt : M là trung điểm của AB ⇔

2 2 2

M

x x x

y y y

z z z

+



=



+



=





+



=





Định lý 12: Cho tam giác ABC biết A x y z( ; ; ) , B(x ; ; ), C(x ; ; )A A A B y zB B C y zC C

Trang 5

G là trọng tâm tam giác ABC ⇔

3 3 3



=



=





=





G

x

y

z

Ví dụ 1: Trong Kg(Oxyz) cho ba điểm A(3;1;0), B(-1;2;-1), C(2;-1;3)

Tìm điểm D sao cho tứ giác ABCD là hình bình hành

Ví dụ 2: Trong Kg(Oxyz) cho ba điểm A(2;-1;6), B(-3;-1;-4), C(5;-1;0)

a Chứng minh rằng tam giác ABC vuông

b Tìm tọa độ trọng tâm G của tam giác ABC

c Tính độ dài đường trung tuyến kẻ từ A

VI Tích có hướng của hai véc tơ:

1 Định nghĩa: Tích có hướng của hai véc tơ a=( ; ; ) và a a a1 2 3 b=( ; ; )b b b1 2 3

là một véc tơ được ký hiệu : ;a b  có tọa độ là :

2 3 3 1 1 2

a b

Cách nhớ: 1 2 3

( ; ; ) ( ; ; )

=

2 Tính chất:

• a b; ⊥a và ;a b⊥b

2

ABC

S∆ = AB AC

• SABCD = AB AD; 

ABCD A B C D

6

ABCD

• a cùng phương b ⇔ ;a b=0

• a b c, , đồng phẳng ⇔ , a b c =0

• A, B, C, D đồng phẳng ⇔AB,AC,AD

đồng phẳng ⇔AB,AC AD 0 =

BÀI TẬP ỨNG DỤNG:

1 2 3

A

B

C D

A

B C

B C D

'

A

'

B

'

C

'

D

Trang 6

107

Bài 1: Cho bốn điểm A(-1;-2;4), B(-4;-2;0), C(3;-2;1), D(1;1;1)

a Chứng minh rằng bốn điểm A,B,C,D không đồng phẳng

b Tính diện tích tam giác ABC

c Tính thể tích tứ diện ABCD

Bài 2: Tính thể tích tứ diện ABCD biết A(-1;-2;0), B(2;-6;3), C(3;-3;-1), D(-1;-5;3)

Bài 3:

Bài 4:

Bài 5:

Bài 6:

Bài 7: Cho tứ diện ABCD với A(2; 1;6),B( 3; 1; 4),C(5; 1;0),D(1;2;1)− − − − − Chứng minh tam giác ABC vuơng Tính bán kính đường trịn ngoại tiếp tam giác ABC và thể tích tứ diện ABCD

ĐƯỜNG THẲNG VÀ MẶT PHẲNG TRONG KHÔNG GIAN

Trang 7

MẶT PHẲNG TRONG KHÔNG GIAN

I Các định nghĩa:

1 Véc tơ chỉ phương (VTCP) của đường thẳng:

a

là VTCP của đường thẳng ( ∆ ) ⇔đn 0

a có giá song song hoặc trùng với ( )





∆



Chú ý:

• Một đường thẳng có vô số VTCP, các véc tơ này cùng phương với nhau

• Một đường thẳng ( ∆ ) hoàn toàn được xác định khi biết một điểm thuộc nó và một VTCP của nó

2 Cặp VTCP của mặt phẳng:

Cho mặt phẳng α xác định bởi hai đường thẳng cắt nhau a và b Gọi a là VTCP của đường

thẳng a và b là VTVP của đường thẳng b Khi đó :

Cặp ( , )a b được gọi là cặp VTCP của mặt phẳng α

Chú ý :

• Một mặt phẳng α hoàn toàn được xác định khi biết một điểm thuộc nó và một cặp VTCP của nó

3 Véc tơ pháp tuyến ( VTPT) của mặt phẳng :

n

là VTPT của mặt phẳng α

đn

n có giá vuông góc với mp

n

α







Chú y ù:

• Một mặt phẳng có vô số VTPT, các véc tơ này cùng phương với nhau

• Một mặt phẳng hoàn toàn được xác định khi biết một điểm thuộc nó và một cặp VTPT của nó

4 Cách tìm tọa độ một VTPT của mặt phẳng khi biết cặp VTCP của nó:

α

a

b

a b

n

Trang 8

109

Định lý: Giả sử mặt phẳng α có cặp VTCP là : 1 2 3

( ; ; ) ( ; ; )

 =





=



2 3 3 1 1 2

Ví dụ: Tìm một VTPT của mặt phẳng α biết α đi qua ba điểm A(-2;0;1), B(0;10;3), C(2;0;-1)

II Phương trình của mặt phẳng :

Định lý 1: Trong Kg(Oxyz) Phương trình mặt phẳng α đi qua điểm M x y z0( ; ; )0 0 0 và có một

VTPT n=( ; ; )A B C

là:

M x;y;z( ) • A(x−x0)+B(y−y0)+C(z−z0) 0=

Định lý 2: Trong Kg(Oxyz) Phương trình dạng :

Ax+By+Cz D+ =0 với A2 +B2+C2 ≠0

là phương trình tổng quát của một mặt phẳng

Chú ý :

• Nếu ( ) :α Ax+By+Cz+D=0 thì ( )α có một VTPT là n=( ; ; )A B C

• M x y z0( ; ; ) ( ) :0 0 0 ∈ α Ax By Cz D+ + + =0 ⇔ Ax0 +By0+Cz0+D= 0

Các trường hợp đặc biệt:

1 Phương trình các mặt phẳng tọa độ:

• (Oxy):z = 0

• (Oyz):x = 0

• (Oxz):y = 0

2 Phương trình mặt phẳng theo đoạn chắn:

• Phương trình mặt phẳng cắt các trục Ox, Oy, Oz tại

( ;0;0) (0; ;0) (a,b,c 0) (0;0; )

A a

B b

C c





≠







α

] , [ a b n

=

a

b

α

)

;

; ( A B C

n =

)

;

0 x y z M

0

M

α

x

y

z n=(A;B;C)

)

(Oxz

)

(Oxy

)

(Oyz

z

y

x

O

C

c

Trang 9

là: x y z 1

a+b+c =

Ví dụ 1: Trong Kg(Oxyz) cho ba điểm A(3;1;0), B(-1;2;-1), C(2;-1;3)

Viết phương trình mặt phẳng (ABC)

Ví dụ 2: Trong Kg(Oxyz) cho A(1;2;3 , 2; 3;1) (B − ) Viết phương trình mặt phẳng ( )P đi qua A và vuơng gĩc với đường thẳng AB

Ví dụ 3: Trong Kg(Oxyz) cho hai mặt phẳng ( )P :x+2y+3z+ = và 4 0 ( )R : 3x+2y z− − = Viết phương 1 0 trình mặt phẳng ( )R đi qua A(1;1;1) đồng thời vuơng gĩc với cả ( )P và ( )Q

Ví dụ 4: Viết phương trình mặt phẳng đi qua điểm M(9;1;1), cắt các tia Ox, Oy, Oz lần lượt tại A, B, C sao cho thể tích tứ diện OABC cĩ giá trị nhỏ nhất

III Vị trí tương đối của hai mặt phẳng :

1 Một số quy ước và ký hiệu:

Hai bộ n số : 1 2

1 2

( , , , ) ( , , , )

n n

a a a

b b b





 được gọi là tỷ lệ với nhau nếu có số t ≠ sao cho 0

a tb

=





=







=



Ký hiệu: a a1: 2: :an =b b1: : :2 bn hoặc 1 2

n

a

2 Vị trí tương đối của hai mặt phẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho hai mặt phẳng ,α β xác định bởi phương trình :

α β

β

α

2

n

1

n

β α

1

n

2

n

β α

1

n n2

Trang 10

111

A

A A

( ) // ( )

A A ( ) ( )

A

α β

Đặc biệt:

α ⊥β ⇔ A1 2A +B B1 2 +C C1 2 = 0

ĐƯỜNG THẲNG TRONG KHÔNG GIAN

I Phương trình của đường thẳng:

1.Phương trình tham số của đường thẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) Phương trình tham số của đường thẳng ( )∆ đi qua điểm M x y z0( ; ; )0 0 0

và nhận a=( ; ; )a a a1 2 3

làm VTCP là :

( ) : (t )

x x ta

y y ta

z z ta

= +





= +



2 Phương trình chính tắc của đường thẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) Phương trình chính tắc của đường thẳng ( )∆ đi qua điểmM x y z0( ; ; )0 0 0

và nhận a=( ; ; )a a a1 2 3

làm VTCP là :

0 0 0

Ví du 1ï:

Ví du 2ï:

Ví du 3:

O

z

y

x

) (∆

0

M M(x,y,z)

a

Trang 11

Cho điểm M(-2;1;1) và đường thẳng

x 1 2t (d) : y 1 t

z 3 t

= +





= − −



 = +



Lập phương trình mặt phẳng (P) qua điểm

M và vuông góc với đường thẳng (d)

Ví dụ 4: Cho điểm M(1;2;3) và đường thẳng (d) :x z z

1 = −1 1= Lập phương trình mặt phẳng (P) chứa điểm

M và đường thẳng (d)

II Vị trí tương đối của đường thẳng và mặt phẳng :

1.Vị trí tương đối của đường thẳng và mặt phẳng :

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho :

và quaM x y z0( ; ; )0 0 0 và mặt phẳng ( ) :α Ax By Cz D+ + + =0 có VTPT n=( ; ; )A B C

Khi đó :

( ) // ( )

0

( ) ( )

0

α α α









Đặc biệt: ( ) ( ) ∆ ⊥ α ⇔ a :1 a2:a3= A B C: :

Chú ý: Muốn tìm giao điểm M của ( ∆ ) và (α) ta giải hệ phương trình : ( )

( )

pt

ptα

∆





Suy ra: M(x,y,z)

Ví dụ 1: Cho hai điểm A(0;0;-3) , B(2;0;-1) và mặt phẳng (P): 3x - 8y + 7z -1 = 0

Tìm toạ độ giao điểm I của đường thẳng AB và mặt phẳng (P)

Ví dụ 2: Cho điểm M(1;1;1) và mặt phẳng (P) có phương trình: x 2y 3z 14 0+ − + = Tìm tọa độ hình

chiếu vuông góc của M trên mặt phẳng (P)

α

n

M

)

(∆ a

α

n

M a (∆)

α

n

M a (∆)

α

a

n

Trang 12

113

Ví dụ 3: Cho đường thhẳng (d) :x 1 y 2 z 2

− − và mặt phẳng (P) : x 3y 4m z m 0− − 2 + = Tìm m để đường thẳng (d) nằm trong mặt phẳng (P)

2 Vị trí tương đối của hai đường thẳng :

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho hai đường thẳng :

 



( ) cắt ( )

( ) // ( ) : :

Chú ý: Muốn tìm giao điểm M của ( ) và ( )∆1 ∆2 ta giải hệ phương trình : 1

2

( ) ( )

pt pt

∆





∆

Suy ra: M(x,y,z)

III Góc trong không gian:

1 Góc giữa hai mặt phẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho hai mặt phẳng ,α β xác định bởi phương trình :

1 1 1 1

A x B y C z D

α β

Gọi ϕ là góc giữa hai mặt phẳng ( ) & ( )α β ta có công thức:

1 2 1 2 1 2

cos

A A B B C C

Ví dụ: Cho hai mặt phẳng (P) : x y+ + 2 0 &(Q) : x z= − + + 3 0= Xác định góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q)

0

M

'

0

2

∆

b

0

M

u

'

u

1

∆

2

∆

' 0

M

0

M u u' 1

∆

2

∆

u

'

u

0

M

' 0

M

1

∆

2

∆

β α

)

;

; ( 2 2 2

2 A B C

n =

)

;

; ( 1 1 1

1 A B C

n =

0 0

90

0 ≤ϕ ≤

Trang 13

2 Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho đường thẳng ( ) :∆ x x− 0 = y y− 0 = z z− 0

và mặt phẳng ( ) :α Ax By Cz D+ + + =0

Gọi ϕ là góc giữa hai mặt phẳng ( ) & ( )∆ α ta có công thức:

sin

Aa Bb Cc

3.Góc giữa hai đường thẳng :

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho hai đường thẳng :

1

( ) : ( ) :

Gọi ϕ là góc giữa hai mặt phẳng (∆1) & (∆ ta có công thức: 2)

' ' '

2 2 2 '2 '2 '2

cos

aa bb cc

IV Khoảng cách:

1 Khoảng cách từ một điểm đến một mặt phẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho mặt phẳng ( ) :α Ax By Cz D+ + + =0 và điểm M x y z 0( ; ; )0 0 0

Khoảng cách từ điểm M0 đến mặt phẳng ( )α được tính bởi công thức:

0 0 0

( ; ) Ax By Cz D

d M

A B C

∆ =

+ +

Ví dụ: Cho hình tứ diện ABCD biết tọa độ các đỉnh A(2,3,1) ; B(4,1,-2) ; C(6,3,7) ; D(-5,-4,8)

Tính độ dài đường cao hình tứ diện xuất phát từ D

α

)

;

; (A B C

n =

) (∆

)

;

; (a b c

a =

0 0

90

0 ≤ϕ ≤

)

;

; (

1 a b c

a =

1

∆

2

∆

) '

; '

; ' (

2 a b c

a =

0 0

90

0 ≤ϕ ≤

α

)

;

; ( 0 0 0

0 x y z M

H

Trang 14

115

2 Khoảng cách từ một điểm đến một đường thẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho đường thẳng ( ∆ ) đi qua điểm M x y z0( ; ; )0 0 0 và có VTCP

u =( ; ; )a b c Khi đó khoảng cách từ điểm M1 đến ( )∆ được tính bởi công thức:

d M( , )1 M M u0 1;

u

∆ =

Tính khoảng cách từ điểm A đến đường thẳng (d)

3 Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho hai đường thẳng chéo nhau :

( ) có VTCP ( ; ; ) và qua M ( ; ; )

u a b c x y z

Khi đó khoảng cách giữa ( ) và ( )∆1 ∆2 được tính bởi công thức

'

, ' ( , )

; '

 

 

∆ ∆ =

 

 

u u M M d

u u

Ví dụ: Cho hai đường thẳng :

9 6

 = +

 Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng (d1) và (d2)

H

u

)

;

0 x y z

M

1

M

) (∆

0

M

' 0

M

u

'

u

1

∆

2

∆

Trang 15

BÀI TẬP RÈN LUYỆN

Bài 1: (A-2013)

Bài 2: (B-2013)

Bài 3: (B-2013)

Bài 4: (D-2013)

Bài 5: (D-2013)

Bài 6: (A-2012)

Bài 7: (B-2012)

Bài 8: (D-2012)

Bài 9:

Bài 10:

Trang 16

117

Bài 11:

Bài 12:

Bài 13:

Bài 14:

Bài 15:

Bài 16:

Bài 17:

Bài 18:

Bài 19:

Bài 20:

Trang 17

Bài 21:

Bài 22:

Trang 18

119

MẶT CẦU TRONG KHÔNG GIAN

I Phương trình mặt cầu:

1 Phương trình chính tắc:

Định lý : Trong Kg(Oxyz) Phương trình của mặt cầu (S) tâm I(a;b;c), bán kính R là :

( ) :(S x a− )2+(y b− )2+(z c− )2=R2 (1)

Phương trình (1) được gọi là phương trình

chính tắc của mặt cầu

Đặc biệt: Khi I ≡ O thì ( ) :C x2+y2+z2 =R2

2 Phương trình tổng quát:

Định lý : Trong Kg(Oxyz) Phương trình :

x2+y2+z2 2− ax−2by−2cz d+ =0

với a2+b2+c2−d>0 là phương trình của mặt cầu (S) có

tâm I(a;b;c), bán kính R= a2+b2+c2−d

Ví dụ: Cho 4 điểm A(-1;-2;0), B(2;-6;3), C(3;-3;-1), D(-1;-5;3)

Viết phương trình mặt cầu đi qua bốn điểm A, B, C, D Xác định tâm và bán kính của mặt cầu

II Giao của mặt cầu và mặt phẳng:

Định lý: Trong Kg(Oxyz) cho mặt phẳng ( )α và mặt cầu (S) có phương trình :

α + + + =

− + − + − =

( ) : ( ) ( ) ( )

Ax By Cz D

S x a y b z c R

Gọi d(I;α ) là khoảng cách từ tâm mặt cầu (S) đến mặt phẳng α

Ta có :

⇔

1 ( ) cắt mặt cầu (S) d(I; ) < R

2 ( ) tiếp xúc mặt cầu (S) d(I; ) =R

3 ( ) không cắt mặt cầu (S) d(I; ) > R

I

H

R

M

H M

R I

I R

r H M

)

(S

)

(S

)

(S

)

(C

z

y

x

O

R

)

;

; ( y z M

)

(S

I

Định dạng
Số trang	20
Dung lượng	1,53 MB