Tuyển tập một số bài toán cực trị trong hình học toan độ không gian

TUYỂN TẬP MỘT SỐ BÀI TOÁN CỰC TRỊ VIẾT PHƢƠNG TRÌNH ĐƢỜNG THẲNG (P2)?. HT 1.[r]

(1)

TUYỂN TẬP MỘT SỐ BÀI TOÁN CỰC TRỊ

VIẾT PHƢƠNG TRÌNH MẶT PHẲNG

HT 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm A(1;1;1) Gọi

 

A M 1; 2; 1

















Hƣớng dẫn Cách 1: Phƣơng pháp hình học

Gọi H hình chiếu vng góc O mặt phẳng

 

Để d O, P max



 



 OA

 





 





P qua A 1;1;1

P nhan OA 1;1;1 la 1vtpt 



 

Phương trình tổng quát

 



 



1 x 1 1 y 1 1 z 1      0 x y z

 

 qua điểm M 1; 2; 1





Chọn đáp án A

P H ≡ A

P A

O

(2)

Bất đẳng thức Bunhiacopxki: Với số a ,a ,a , b , b , b ta ln có: 1 2 3 1 2 3











1 2 3 3

a b a b a b  a a a b b b

Dấu " " xảy khi:

1

a a a b  b  b

Mặt phẳng

 





 

2 2

Ax By Cz A B C (A      B C 0) Khoảng cách từ O đến

 





A B C

  

 

Áp dụng bất đẳng thức Bunhiacopxki cho số ta được:











A B C  1  A B C 







A B C 1 A B C

       

2 2

A B C

3

A B C

 

 

 

Dấu " " xảy khi: A B C

1  1  Chọn

A B C      

  

Phương trình

 

 qua điểm M 1; 2; 1





Chọn đáp án A

HT Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm A(2; 1;1) Gọi

 

A M1

















(3)

Mặt phẳng

 

2 2

Ax By Cz 2A B C (A      B C 0) Khoảng cách từ O đến

 





A B C

  

 

Áp dụng bất đẳng thức Bunhiacopxki cho số ta được:







 







A B C  1 1  2A B C 







 



A B C 1 2A B C

        

2 2

2A B C

6

A B C

 

 

 

Dấu " " xảy khi: A B C 1 

A 2B C B   

   

 Chọn

A B C            Phương trình

 

 qua M3

(4)

HT 3. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz,cho điểm A 2; 1; 2





1 1



 

 

 Gọi

 

A

 

Hƣớng dẫn

Gọi H hình chiếu vng góc A d Gọi K hình chiếu vng góc H lên (P),  d(d, (P)) = d(H, (P)) HK.

Ta có HA HK HKlớn K A Ta tìm tọa độ điểm H

Phương trình đường thẳng

x t d : y t

z t           





H d H t;1 t;1 t  





AH t 1; t; t 3 

Ta có: AHud 









AH 1; 2;

  

Ta có:





2

Q

n  1;1; 1

   

Q

n AH 0  P  Q

Chọn đáp án B

P

d d

K ≡ A

P A

H

(5)

HT 4. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz,cho đường thẳng d :x y z

1 2

   

 Gọi  đường thẳng qua điểm A(4;0;–1) song song với d Gọi

 

có thể giá trị sau đây?

A B C D

Hƣớng dẫn

Gọi K hình chiếu vng góc A d Gọi H hình chiếu vng góc K

 







 



d d; P d K; P HK

  

Ta ln có KH KA HK lớn H A.

 

 

Hay mặt phẳng

 

x t d : y 2t

z 2t            





K d K   2 t; 2t; 2t





AK  t 6; 2t; 2t 3





d d

AKu  1; 2; 2 AK.u 0 t 4t 4t t        





AK 6; 0;

   phương với n





H ≡ A

d

P P

d

H A

(6)

M

 

Chọn đáp án C

HT 5. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz,cho đường thẳng d :x y z

2

   

và điểm A(2; 5; 3) Gọi (P) mặt phẳng chứa d cho khoảng cách từ A đến (P) lớn Khi đó, mặt phẳng

 

A x y z

1



   

 B

y

x z

1



   

C x y z

2



 

  D x y z

2



 

 



Gọi K hình chiếu vng góc A d Gọi H hình chiếu vng góc A

 



 



AH

 đạt giá trị lớn H K.

 

 nhận AK làm vecto pháp tuyến

Ta có:

x 2t d : y t

z 2t          

Với K d K 2t; t; 2t









AK 2t 1; t 5; 2t 1  

d d

P H ≡ K

P K

A

(7)

Ta có: AKud









AK 1; 4;1

  

 Chọn đáp án A.

Cách 2: Phƣơng pháp đại số

Phương trình mặt phẳng (P) : ax by cz d (a    2b2c2 0)

(P) có vec-tơ pháp tuyến n (a; b; c) , d qua điểm M(1; 0; 2) có VTCP u (2;1; 2) Vì (P)  d nên M (P)

n.u  

 

 

a 2c d 2a b 2c

   

   

 

2c (2a b) d a b

   

  



Xét trường hợp:

TH1: Nếu b = (P): x z 0   Khi đó: d(A,(P)) 0

TH2: Nếu b  Chọn b 1 ta (P): 2ax 2y (2a 1)z 2a 0     

Khi đó:

2

9

d(A,(P))

8a 4a 1 3

2 2a

2

  

   

 

 

 

Vậy maxd(A,(P)) 2  2a a

2

    

Khi đó: (P): x 4y z 0   

Chọn đáp án A

HT 6. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt phẳng (Q): x 2y z 0    đường thẳng d :x y z

2 1



   

Gọi (P) mặt phẳng chứa đường thẳng d tạo với mặt phẳng (Q) góc nhỏ Mặt phẳng

 

A M 0; 2; 1

















Hƣớng dẫn

(8)

Chọn hai điểm M( 1; 1; 3),N(1; 0; 4) d   Ta có: M (P) c a b N (P) d 7a 4b

     



    

 

(P): ax by ( 2a b)z 7a 4b 0       

2

3 a b

cos

6 5a 4ab 2b   

 

TH1: Nếu a =

2

3 b

cos

2 2b

   



TH2: Nếu a 

2

b

3 a

cos

6 b b

5

a a

  

 

   

 

Đặt x b a



f(x) cos 

Xét hàm số

2

9 x 2x f(x)

6 4x 2x   

 

Dựa vào BBT, ta thấy f(x) 0 cos   0  900 300

Do có trường hợp thoả mãn, tức a = Khi chọn b 1,c 1,d 4   Vậy: (P): y z 0  

HT Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, gọi

 

tia Ox , Oy,Oz A, B, C Thể tích tứ diện OABC đạt giá trị nhỏ bằng:

A 41 B 83

2 C 40 D

81

Hƣớng dẫn

Giá sử A(a; 0; 0) Ox, B(0; b; 0) Oy,C(0; 0; c) Oz   (a, b,c 0)

Khi phương trình mặt phẳng (P) có dạng: x y z a  b c Ta có: M(9;1;1) (P)  1 abc 9bc ac ab

a   b c    (1);

Thể tích khối chóp:VOABC 1abc

(9)

(1) abc 9bc ac ab   ≥ 3 9(abc)3  (abc)3 27.9(abc)2 abc 243 V 81.

2

    

Dấu "=" xảy 

a 27 9bc ac ab

b 1

1

c a b c

 

  



  

 

   

 

 

(P): x y z 27  3

Chọn đáp án D

HT 8. Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz,gọi (P) mặt phẳng qua điểm M(1; 2; 3), cắt

tia Ox , Oy,Oztại A, B, C cho biểu thức 2 12 12

OA OB OC có giá trị nhỏ Mặt phẳng

 

A M 4; 0; 1

















Hƣớng dẫn

Khi phương trình mặt phẳng (P) có dạng: x y z a  b c Ta có: M(1; 2; 3) (P) 

a  b c Ta có: 2 12 2 12 12 12

OA OB OC a b c Theo bất đẳng thức Bunhia-copxki ta có:





2

2 2

1 1

1

a b c a b c

   

      

   

    2

1 1 14 a b c

   

Dấu “=” xảy

2 2

1 a b c 1 a 2b 3c

1 1 14 a b c

   

 

   



   



a 14 14 b

2 14 c

3 

    

   

Vậy, phương trình mặt phẳng: (P) : x 2y 3z 14 0   

(10)

HT 9. Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, gọi (P) mặt phẳng qua điểm M(1; 4; 9), cắt

tia Ox , Oy,Oz A, B, C cho biểu thức OA OB OC  có giá trị nhỏ Mặt phẳng

 

A

















Hƣớng dẫn

Khi phương trình mặt phẳng (P) có dạng: x y z a  b c Ta có: M(1; 4; 9) (P) 

a  b c





     

1 9

a b c a b c

      

    

               

 

        





1   





a b c      

Dấu “=” xảy khi:





1

a b c a 6

1

b 12 a b c

c 18 a b c

   



  

    

 

  

      

 Vậy, (P) :x y z

612 18 

Đón xem phần 2: “TUYỂN TẬP MỘT SỐ BÀI TỐN CỰC TRỊ - VIẾT PHƢƠNG TRÌNH

(11)

TUYỂN TẬP MỘT SỐ BÀI TỐN CỰC TRỊ

VIẾT PHƢƠNG TRÌNH ĐƢỜNG THẲNG (P2)

HT 1. Trong không gian Oxyz,cho đường thẳng d :x y z

1 2



   

 hai điểm A(3; 2;1), B(2; 0; 4) Gọi  đường thẳng qua A, vng góc với d cho khoảng cách từ B tới  nhỏ Gọi u





A 11 B C D

Hƣớng dẫn

 Dựng hình:

Gọi (P) mặt phẳng qua A vng góc với d

 

 mặt phẳng Khi đó,  

 

Khi đó, ta chứng minh đường thẳng  qua A H thỏa yêu cầu toán

 Chứng minh:

Ta có: BH

 

Khi đó, gọi H' hình chiếu vng góc B ' Trong tam giác vng BHH' ta ln có: BH' BH

BH

 đoạn nhỏ

P d

H B

(12)

 Tính:

d có vec-tơ phươngud (1; 2; 2)

Ta có, mặt phẳng

 

  

 



x 2y 2z

    

Đường thẳng BH qua B song song với d x t

BH : y 2t z 2t    

   

   





H t; 2t; 2t

    thay tọa độ vào phương trình

 









2 t 4t 2t         1 t H 1; 2;

Ta có: AH 





Chọn đáp án D.

HT 2. Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz,cho đường thẳng :x y z

2

 

  

 hai điểm A(1; 2; 1), B(3; 1; 5)  Gọi d đường thẳng qua điểm A cắt đường thẳng  cho khoảng cách từ B đến đường thẳng d lớn Khi đó, gọi M a; b; c giao điểm d và





 Giá trị P a b c  

A 2. B C D

Hƣớng dẫn

 Dựng hình chứng minh

Gọi H hình chiếu vng góc B dBH BA

Vậy, để khoảng cách từ B đến d lớn BH BA H A

d BA AM AB

   

 Tính

P

d

B

(13)

Ta có: M M( 2t; 3t; t)    , AM ( 2t; 3t 2; t),AB (2; 3; 4)        AM.AB 0   2( 2t) 3(3t 2) 4t 0     t 2M(3; 6; 3)

P 6     

HT 3. Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz,cho hai điểm A(1; 5; 0), B(3; 3; 6) đường thẳng y

x z

:

2

 

  

 Gọi d đường thẳng qua điểm B cắt đường thẳng  điểm C cho diện tích tam giác ABC có giá trị nhỏ Đường thẳng d vng góc với đường thẳng sau đây?

A

x t y 2t z t            

B

x t y 2t z t            

C

x t y 2t z t           

D

x t y 2t z t            

Hƣớng dẫn

 Ý tƣởng:

Cơng thức tính diện tích tam giác ABC

1

S AB; AC

2

    Trong đó, C  ẩn số

Bài tốn trở thành tìm giá trị nhỏ hàm ẩn

 Thực hiện

Phương trình tham số :

x 2t y t z 2t           

Điểm C   nên C( 2t;1 t; 2t)  

AC ( 2t; t; 2t); AB (2; 2; 6)       ; AC,AB     ( 24 2t;12 8t;12 2t) 

d C

A

(14)

2

AC,AB 18t 36t 216

 

       S AC, AB

2  

   =

18(t 1)





198

(Học sinh xét hàm số: f t

 

198

t 1







BC   2; 3;

HT 4. Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz,cho mặt phẳng (P) : x 3y z 0    điểm A(1; 0; 0);B(0; 2; 3) Gọi d đường thẳng nằm (P) qua A cách B khoảng lớn

nhất Gọi u vec-tơ phương d u vng góc với vec-tơ sau đây? A n1

















Hƣớng dẫn

Gọi H hình chiếu vng góc B dBH BA

Vậy, để khoảng cách từ B đến d lớn BH BA H A Khi đó, đường thẳng d qua A, nằm

 

 Tính

Ta có: AB ( 1; 2; 3)   ; nP 





 

Ta có:

 





d

u n d P

u n ; AB 7; 2;1 d AB u AB

 

 

     

   

 

 

 

Ta có: ud n 3

P

d

B

(15)

HT Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz,cho mặt phẳng (P) : x 3y z 0    điểm A(1; 0; 0);B(0; 2; 3) Gọi d đường thẳng nằm (P) qua A cách B khoảng nhỏ

nhất Gọi u vec-tơ phương d u vuông góc với vec-tơ sau đây? A n1  

















Hƣớng dẫn

Cách 1: Phƣơng pháp hình học

 Dựng hình

Gọi H hình chiếu vng góc B lên (P)

Khi đó, ta chứng minh đường thẳng d qua A H thỏa yêu cầu tốn

 Chứng minh:

Ta có: BH

 

Khi đó, gọi H' hình chiếu vng góc B ' Trong tam giác vuông BHH' ta có: BH' BH

BH

 đoạn nhỏ

 Tính

BH qua B vng góc với

 

x t y 3t z t       

   





H BH H t; 3t; t   Thay tọa độ điểm H vào phương trình mặt phẳng

 

t 9t t t 11        

10 23 H ; ; 

  

P

d

H B

(16)

1 23

AH ; ;

11 11 11

 

   

 

d có vec-tơ phương ud 





d

u n  Chọn đáp án A Cách 2: Phƣơng pháp đại số

Đặt: u





 

a 3b c c a 3b       





u a; b;a 3b

  

Cơng thức tính khoảng cách từ B đến d :

 

d B; d

u

 

 



Ta có: AB; u   





 



 







2 2

2

AB; u 2a 9b 4a 3b 2a b

d B; d

u a b a 3b

               2 2

24a 56ab 91b 2a 6ab 10b

 



 

TH1: b 0 d B;d

 

TH2: b 0 chia tử mẫu cho b2 ta được:

 

d B; d

u

 

 



2

2 2

2

24a 56a 91 24a 56ab 91b b b

2a 6ab 10b 2a 6a 10 b b           a t b 2

24t 56t 91 2t 6t 10 

 



 

Xét hàm số:

 

2

24t 56t 91 f t

2t 6t 10

    

 





f ' t

1 2t 6t 10 t

(17)

Dựa vào bảng biến thiên ta có: Min f t

 

min f t 11

  

Vậy, d B; d

 

 t a

8 b

     Chọn a c 23

b  

     

  u





Chọn đáp án A

Nhận xét: Phương pháp đại số vừa cho ta biết khoảng cách lớn nhỏ từ B đến d mà tính thì…

HT Trong khơng gian với hệ toạ độ Oxyz,gọi d đường thẳng qua A(0; 1; 2) , cắt đường thẳng 1:x y z

2 1

 

  

 cho khoảng cách d đường thẳng

y

x z

:

2



  

 lớn Đường thẳng d song song với mặt phẳng sau đây?

A

 

100 11 14

t f'(t)

f(t)

+

0

-+ -7

2 +∞

-∞

-1 8 0

12

d d

2 2

1 1

P

A

H

A

H N

(18)

Gọi H hình chiếu vng góc A 2 Gọi MN đoạn vng góc chung d 2 Khi đó, d d;





 Khoảng cách d đường thẳng 2 lớn AH đoạn vng góc chung d 2

 Tính

Tìm vec-tơ AH

Ta có: H 2 H 2t 5; 2t; t









AH 2t 5; 2t 1; t 2    ; u2 





2

AH  AH.u 0 4t 10 4t t t           11

AH ; ; 3

 

   

 

Tìm vec-tơ pháp tuyến

 

Gọi

 





M 1; 0;  ; AM 









 





Tìm vec-tơ phƣơng d.

Khi đó,

 

d P

d AH u AH

u AH; n

d P u n



  

    

    



 

 

29 41 ; ; 3

 

   

 

d

 song song với

 

Cách 2: Phƣơng pháp đại số

Gọi M d  1 Giả sử M( 2t; t; t)   VTCP d : udAM (2t 1; t 1; t)   

2

 qua N(5; 0; 0) có VTCP v (2; 2;1) ; AN (5;1; 2)  ; v ; u d   (t 1; 4t 1; 6t)

 d

2

d

v , u AN (2 t)

d( ,d) 3 f(t)

53t 10t v , u



 

  

   

 

 

 

Xét hàm số

2

(2 t) f(t)

53t 10t  

  Ta suy

4 26 max f(t) f( )

37

(19)

 max(d( ,d))  26tại t 37 

d

29 41 26

u ; ;

3

 

    

 

HT 7. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz,gọi d đường thẳng qua A(1; 1; 2) , song song với mặt phẳng (P) : 2x y z 0    Gọi ,  góc lớn nhỏ d đường thẳng :x y z

1 2

 

  

 Trong khẳng định sau, khẳng định

A cos cos         B cos cos          C cos cos          D cos cos          Hƣớng dẫn

 có VTCP u (1; 2; 2) Gọi VTCP đường thẳng d u (a; b; c)

P

d (P)u.n   0 c 2a b Gọi góc hai mặt phẳng 

 2 2

2

5a 4b (5a 4b)

cos

3 5a 4ab 2b 5a 4ab 2b

 

  

 

+ TH1: Nếu b = cos   + TH2: Nếu b 0 Đặt t a b

  cos (5t 4)2 f(t) 5t 4t



  

  Xét hàm số

2

(5t 4) f(t)

5t 4t  

  Ta suy được:

5 cos f(t)

9

   

So sánh TH1 TH2, ta suy ra: cos

  

Trong 0;  

 

  hàm cosin hàm nghịch biến, góc nhỏ, giá trị cosin lớn cos cos          

(20)

HT Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz,gọi d đường thẳng qua A( 1; 0; 1)  , cắt đường thẳng 1:x y z

2 1



 

  

 Gọi ,  góc lớn nhỏ d đường thẳng 2:x y z

1 2



 

  

 Trong khẳng định sau, khẳng định

A

cos cos

5    

  

 B

cos cos

5    

   



C

cos cos

5    

   



D

cos cos

5    

   

Hƣớng dẫn

Gọi M d  1 Giả sử M(1 2t; t; t)   

VTCP d : udAM (2t 2; t 2; t)     Gọi  (d,2)  cos 2 t2 f(t)

3 6t 14t

  

 

Xét hàm số

2

t f(t)

6t 14t 

  Ta suy max f(t) f 9

7

    

  ;min f(t) f(0) 0 

0 cos

5    

Trong 0;  

 

  hàm cosin hàm nghịch biến, góc nhỏ, giá trị cosin lớn cos

2 cos

5    

    

