hỆ tỌa ĐỘ trong không gian - trƯỜng thcs và ... · pdf filebài...
TRANSCRIPT
194
CHƯƠNG 1
HỆ TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN
TÓM TẮT LÝ THUYẾT
I.TÍNH CHẤT CỦA VECTƠ
Cho 2 vectơ ®
a = (a1,a2,a3), ®
b = (b1,b2,b3)
Ta có:
ïî
ïí
ì
===
Û=®®
33
22
11
ba
ba
ba
ba
( )332211 ,, babababa ±±±=±®®
( )321 ,, kakakaak =®
( k ÎR )
22 ®®
= aa
23
22
21 aaaa ++=
®
332211. babababa ++=®®
cos ÷øö
çèæ ®®
ba, = ®®
®®
ba
ba .
0. =Û^®®®®
baba
195
II. TÍNH CHẤT CỦA ĐIỂM
Cho 2 điểm A(xA, yA, zA,), B(xB, yB, zB)
Ta có:
= (xA, yA, zA)
= (xB - xA, yB - yA, zB - zA)
OA = 222AAA zyxOA ++=
®
AB = ®
AB ( ) ( ) ( )222ABABAB zzyyxx -+-+-=
Điểm M chia đoạn AB theo tỉ số k (k ≠ 1) ó = k.
ó
ïïï
î
ïïï
í
ì
--
=
--
=
--
=
kkzz
z
kkyy
y
kkxx
x
BAM
BAM
BAM
1
1
1
Tọa độ trung điểm I của đoạn AB:
ïïï
î
ïïï
í
ì
+=
+=
+=
2
2
2
BAI
BAI
BAI
zzz
yyy
xxx
Chú ý: Cho điểm M(x,y,z)
1/ M Î(Oxy)ÞM(x,y,0)
M ( )ÞÎ Oyz M(0,y,z)
196
M ( ) ( )zxMOxz ,0,ÞÎ
2/ M Î Ox Þ M(x,0,0)
M Î Oy Þ M(0,y,0)
M Î Oz Þ M(0,0,z)
III. TÍCH CÓ HƯỚNG CỦA HAI VECTƠ
Cho 2 vectơ: ®
a = (a1,a2,a3), ®
b = (b1,b2,b3)
Tích có hướng của hai vectơ và , ký hiệu úûù
êëé ®®
ba, (hoặc ®®
Ù ba ),
là 1 vectơ có tọa độ:
[ ] =
Tính chất:
1/ Vectơ úûù
êëé ®®
ba, vuông góc với cả 2 vectơ ®
a và ®
b , tức là:
0.,., =úûù
êëé=úû
ùêëé ®®®®®®
bbaaba
2/ úûù
êëé-=úû
ùêëé ®®®®
abba ,,
3/ ÷øö
çèæ=úû
ùêëé ®®®®®®
bababa ,sin,
IV. ỨNG DỤNG CỦA TÍCH CÓ HƯỚNG
1/ Chứng minh 2 vectơ cùng phương:
Cho 2 vectơ ®
a = (a1,a2,a3), ®
b = (b1,b2,b3)
197
Ta có:
®
a và ®
b cùng phương Û úûù
êëé ®®
ba, = ®
0
®®
=Î$Û bkaRk .: ÷øö
çèæ ¹
®®
0b
3
3
2
2
1
1
ba
ba
ba
==Û ( b1.b2.b3 ¹ 0 )
2/ Chứng minh 3 vectơ đồng phẳng:
®
a , ®
b , ®
c đồng phằng Û ®®®
úûù
êëé cba ., = 0
3/ Tính diện tích tam giác ABC:
úú
û
ù
êê
ë
é=
®®
ACABS ,21
4/ Tính diện tích hình bình hành ABCD:
úú
û
ù
êê
ë
é=
®®
ADABS ,
5/ Tính thể tích tứ diện ABCD:
®®®
úûù
êëé= ADACABV ,
61
6/ Tính thể tích hình hộp ABCD.A’B’C’D’:
®®®
úûù
êëé= ', AAADABV
198
V. MẶT CẦU
Phương trình mặt cầu:
( x – a )2 + ( y – b )2 + ( z – c )2 = R2
là phương trình mặt cầu tâm I(a, b, c), bán kính R
x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 (a2 + b2 + c2 – d > 0)
là phương trình mặt cầu tâm I(a, b, c), bán kính R = dcba -++ 222
TỌA ĐỘ, VECTƠ VÀ CÁC VẤN ĐỀ LIÊN QUAN
Vấn đề 1: Chứng minh ba điểm thẳng hàng.
Phương pháp:
A, B, C, thẳng hàng ó ®
AB cùng phương
®
AC úûù
êëéÛ
®®
ACAB, = ®
0
Suy ra:
A, B, C là 3 đỉnh của một tam giác ó A, B, C không thẳng hàng
úûù
êëéÛ
®®
ACAB, ¹®
0
Vấn đề 2: Chứng minh bốn điểm là bốn đỉnh của 1 tứ diện.
Phương pháp:
A, B, C, D là 4 đỉnh của 1 tứ diện ó , , không đồng phẳng đđ
úûù
êëéÛ
®®
ACAB, .®
AD 0¹
Vấn đề 3: Tính các góc của 1 tam giác.
199
Phương pháp:
Để tính góc A của DABC, ta áp dụng công thức:
®®
®®®®
=÷øö
çèæ=
ACAB
ACABACABA ,coscos
Các góc B và C được tính tương tự
Suy ra:
Góc A vuông 0. =Û®®
ACAB
Góc A nhọn 0cos >Û A 0. >Û®®
ACAB
Góc A tù ó cosA < 0 0. <Û®®
ACAB
Chú ý rằng một tam giác có nhiều nhất 1 góc tù.
Vấn đề 4: Các yếu tố liên quan đến DABC
1/ Trọng tâm G:
( )
( )
( )ïïï
î
ïïï
í
ì
++=
++=
++=
CBAG
CBAG
cBAG
zzzz
yyyy
xxxx
313131
2/ Trực tâm H:
Tìm tọa độ điểm H từ điều kiện:
200
ó
3/ Chân đường cao A’ của đường cao AA’:
Tìm tọa độ điểm A’ từ điều kiện:
4/ Tâm đường tròn ngoại tiếp I:
Tìm tọa độ điểm I từ điều kiện:
ó
Chú ý:
Nếu DABC vuông tại A thì:
Tâm I của đường tròn ngoại tiếp là trung điểm của cạnh huyền BC
Bán kính của đường tròn ngoại tiếp: ICIBIAAB
R ====2
Nếu DABC đều thì tâm đường tròn ngoại tiếp chính là trọng tâm của DABC.
5/ Chân đường phân giác trong và ngoài:
Gọi D, D’ là chân đường phân giác trong và ngoài của góc
Ta có:
ACAB
CDBD
DCDB
==''
®®
×-=Þ DCACAB
DB ,
®®
×= CDACAB
BD ''
201
Chú ý:
Để tìm tâm của đường tròn nội tiếp:
- Vẽ đường phân giác trong của góc B cắt AD tại I: I chính là tâm đường tròn nội tiếp.
- Tìm I từ công thức:
Vấn đề 5: Xác định hình tính của tứ giác.
1/ ABCD là hình bình hành ó ó
2/ ABCD là hình chữ nhật ó
3/ ABCD là hình vuông ó
BÀI TẬP
Bài 1: Cho 3 vectơ = (1,m,2), = (0,m-2,2)
a/ Tìm m để vuông góc .
b/ Tìm m để , đồng phẳng
c/ Tìm m để =
Giải
202
a/ Ta có:
ó = 0 ó m+1+2m+2=0 ó m = -1
b/ Ta có:
= (m-4, 2m+1, -m2-m+2)
. = (m-2)(2m+1)+2(-m2-m+2) = -5m +2
Do đó:
, đồng phẳng ó . = 0 ó -5m+2 = 0 ó m =
c/ Ta có: + = (m+2, m+2, 3)
Do đó:
= ó 2 = 2 ó (m+2)2 + (m+2)2 +9 = (m-2)2 + 4
ó m2 + 12m + 9 = 0 ó m = -6 ± 3
Bài 2: Cho = (1,-2,3). Tìm tọa độ vectơ cùng phương với vectơ , biết rằng tạo với trục tọa độ Oy một góc nhọn và = .
Giải:
Gọi = (x,y,z); Oy có vectơ đơn vị = (0,1,0). Ta có:
ó
ó ó
ó
Vậy = (-1,2,-3)
203
Bài 3: Cho = (1,1,1), = (1,-1,3). Tìm tọa độ biết , ^ , = 3 và tạo với trục Oz một góc tù.
Giải:
Gọi = (x,y,z). Trục Oz có vectơ đơn vị = (0,0,1)
Ta có:
ó
(1) và (2) cho: x=-2z, y=z
Thay vào (3): 4z2+z2+z2=9 ó z2 = ó z= - = - (do z < 0)
ð x= , y = -
Vậy: = ( , )
Bài 4: Cho 3 điểm: A (-2,0,2), B (1,2,3), C(x,y-3,7).
Tìm x,y để 3 điểm A,B,C thẳng hàng Giải:
Cách 1:
= (y-13, 13-x, 2x-3y+13)
ó = ®
0 ó
ó x = y = 13
Cách 2:
A, B, C thẳng hàng ó ó x = y = 13
204
Cách 3:
A, B, C thẳng hàng ó ó
ó
Bài 5: Trong không gian tọa độ Oxyz, cho 2 điểm A(-4, 1, 2), B(2a, a2 -3, 2)
Tìm a để 3 điểm O,A,B là 3 đỉnh của một tam giác. Giải: Ta có: a2 -3, 2)
=> = (2a2-8, -4a-8, 4a2+2a-12)
O, A, B là 3 đỉnh của một tam giác ó ≠
®
0êêê
ë
é
¹-+
¹--¹-
Û
01224
084
082
2
2
aa
a
a
ó a≠ - 2
Bài 6: Cho 2 điểm A(1,1,2), B(-1,3,-9)
a/ Tìm điểm M trên trục Oz sao cho ∆ABM vuông tại M b/ Gọi N là giao điểm của đường thẳng AB với mặt phẳng (Oyz).
Hỏi điểm N chia đoạn AB theo tỉ số nào? Tìm tọa độ điểm N? c/ Gọi α, β, γ là góc tạo bởi đường thẳng AB và các trục tọa độ. Tính giá trị của P = cos2α + cos2β + cos2γ Giải: a/ M Î Oz => M(0,0,z)
ó . = 0 ó -1+3+(z-2)(z+9)= 0
ó z2 +7z -16 = 0 ó z =
b/ N = AB (Oyz) => N(0,y,z)
205
= (-1, 3-y, -9-z) Điểm N chia đoạn AB theo tỉ số k ó = k ó
ó
Vậy : k = -1, N(0,2, )
c/ = (-2, 2, -11); các vtcp của Ox, Oy, Oz lẩn lượt là = (1,0,0), = (0,1,0),
= (0,0,1)
Ta có: cosα = =
Cosβ = =
Cosγ = =
ÞP = cos2α + cos2β + cos2γ = 1
Bài 7: Cho 3 điểm: A(1,1,1), B(-1,-1,0), C(3,1,-1)
a/ Tìm điểm M trên trục Oy cách đều 2 điểm B, C b/ Tìm điểm N trên mặt phẳng (Oxy) cách đều 3 điểm A, B, C. c/ Tìm điểm P trên mặt phẳng (Oxy) sao cho PA + PC nhò nhất. Giải: a/ M Î Oy => M(0,y,0) M cách đều 2 điểm B,C ó MB = MC ó MB2 = MC2
ó 1+(y+1)2 = 9+(y-1)2 +1 ó y=
Vậy M(0, , 0)
b/ N Î (Oxy) => N(x, y, 0)
N cách đều 3 điểm A, B, C ó
ó
206
ó
ó
Vậy N (2, - , 0)
c/ PÎ(Oxy) => P(x,y,0) Nhận thấy A và C nằm khác phía đối với mp (Oxy) (do zA.zC = -
1 <0) Ta có: PA +PC ≥ AC
Do đó: PA+PC nhỏ nhất
ó PA+PC = AC
ó P = AC ∩ (Oxy) ó A, P,C thẳng hàng
Ta có:
A, P, C thẳng hàng ó và cùng phương ó = k
ó
ó
Vậy P(2, 1, 0)
Bài 8: Cho 2 vectơ = (1,-3,4), = (2,-6,8)
Tìm tọa độ biết ngược hướng với và = 3
Giải:
Gọi = (x,y,z) ; = (3,-9,12)
207
Ta có:
ó
ó
ó
Vậy = (-9,27,-36)
Bài 9: Cho ABC có A(0,0,1), B(1,4,0), C(0,15,1)
a/ Tính độ dài đường cao AK của ABC.
b/ Tìm tâm I của đường tròn ngoại tiếp ABC.
c/ Tìm trực tâm H của ABC.
Giải:
= (1,4,-1), = (0,15,0), = (-1,11,1)
= (15,0,15) => SABC = | ]| =
Ta cũng có: SABC = AK.BC = => AK = =
b/ Gọi I(x,y,z). Ta có:
ó
ó ó
208
Vậy I(- )
c/ Gọi H(x,y,z). Ta có:
ïïî
ïïí
ì
=
=
,,
0.
0.
ph¼ngångđAHACAB
ACBH
BCAH
ó
[ ]ïïî
ïïí
ì
=
=
=
0.,
0.
0.
AHACAB
ACBH
BCAH
ïî
ïí
ì
=-+=-
=-++-Û
01
04
0111
zx
y
zyx
ïî
ïí
ì
-===
Û21
4
22
z
y
x
Vậy: H(22,4,-21)
Bài 10: Cho 4 điểm: A(1,0,1), B(-1,1,2), C(-1,1,0), D(2,-1,-2)
a) Chứng minh rằng A,B,C,D là 4 đỉnh của một tứ diện. b) Tính cosin của góc giữa 2 đường thẳng AB và CD. c) Tính độ dài đường cao AH của tứ diện ABCD. Giải:
a) A,B,C,D là bốn đỉnh của một tứ diện ó , , không
đồng phẳng ó [ ]. ≠ 0
Ta có:
[ ]= (-2,-4,0) => [ ]. = 2 ≠ 0
=>A, B, C, D là 4 đỉnh của một tứ diện.
b) = (3,-2,-2), . = -10
cos(AB,CD) = |cos( , )|= = =
c) VABCD = |[ ]. | =
209
Ngoài ra: VABCD = SBCD.AH = => AH =
[ ] = (-4,-6,0) => SBCD = |[ ]| = =
=>AH =
Bài 11: Cho ABC có A(1,1,1), B(5,1,-2), C(7,9,1)
a) Tính cosin của góc A.
b) Chứng minh rằng góc B nhọn.
c) Tính độ dài đường phân giác trong của góc A.
d) Tìm tọa độ chân đường cao vẽ từ A.
Giải
a) = (4,0,-3), = (6,8,0), = (2,8,3)
cosA = cos( ) = = =
b) = (-4,0,3), = (2,8,3)
=> . = 1 > 0 => góc B nhọn.
c) Gọi D(x,y,z) là giao điểm đường phân giác trong của góc A với cạnh BC.
Ta có: = = = => = -2
= (7-x,9-y,1-z), = (5-x,1-y,-2-z)
Do đó:
= -2 ó ó => D( )
210
=> AD = =
d) Gọi H(x,y,z) là chân đường cao AH. Ta có:
ïî
ïíì =
BC
0.
ngph cïng oBH
BCAH (I)
= (x-1, y-1, z-1), = (x-5, y-1, z+2), = (2,8,3)
Do đó:
(I)
ïïï
î
ïïï
í
ì
-=
=
=
Ûïî
ïíì
+=
-=
-=-+-+-
Û
77151
778577
387
32
81
25
0)1(3)1(8)1(2
z
y
x
zyx
zyx
Þ H( 38777
, 8577
, -15177
)
Bài 12: Định m để các phương trình sau là phương trình mặt cầu:
a) x2 + y2 + z2 – 4mx + 2my – 2(m-1)z + 5m2 + m + 5 =0 (1) b) x2 + y2 + z2 + 2(m+3)x – 6my + 4mz + 13m2 + 2m + 5 =0 (2) Giải
a) (1) là pt mặt cầu ó 4m2 + m2 + (m-1)2 - 5m2 – m - 5 > 0
ó m2 – 3m - 4 > 0
ó m<-1 v m>4
b) (2) là pt mặt cầu ó (m+3)2 + 9m2 + 4m2 – 13m2 – 2m – 5 > 0
ó m2 + 4m + 4 > 0ó (m+2)2 > 0 ó m ≠ -2
Bài 13: Cho 2 điểm A(-1,0,-3), B(1,2,-1). Viết phương trình mặt cầu (S):
211
a) Có đường kính AB. b) Có tâm I thuộc trục Oy và qua 2 điểm A,B. Giải:
a) (S) có tâm I là trung điểm AB và bán kính R = IA
I(0,1,-2), R = IA = =
=> (S): x2 + (y-1)2 + (z+2)2 = 3
b) Cách 1:
I Oy => I(0,b,0)
(S) qua 2 điểm A,B ó IA = IB ó IA2 = IB2
ó 1 + b2 + 9 = 1 + (b-2)2 + 1 ó b = -1
=> I(0,-1,0), R = IA =
=> (S): x2 + (y+1)2 + z2 = 11
Cách 2:
I Oy => I(0,b,0) => (S): x2 + y2 + z2 – 2by + d = 0
ó ó
=> (S): x2 + y2 + z2 + 2y – 10 = 0
Bài 14: Viết pt mặt cầu (S) qua 3 điểm A(1,2,4), B(1,-3,-1), C(2,2,-3) và có tâm thuộc mặt phẳng (Oxy)
Giải
Gọi I là tâm của (S)
I (Oxy) => I(a,b,0)
=> (S): x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by + d = 0
Ta có:
A (S) ó -2a – 4b + d + 21 = 0 (1)
B (S) ó -2a + 6b + d + 11 = 0 (2)
212
C (S) ó -4a – 4b + d + 17 = 0 (3)
(1), (2), (3) cho a = -2, b = 1, d = -21
=>(S): x2 + y2 + z2 + 4x – 2y - 21 = 0
Bài 15: Cho 3 điểm A(2,0,1), B(-1,1,3), C(1,2,0)
Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm thuộc mặt phẳng (Oyz) và tiếp xúc mặt phẳng (ABC) tại A.
Giải:
I (Oyz) => I (0,b,c)
Ta có:
(S) tiếp xúc (ABC) tại A ó Û (1)
= (-2, b, c-1), = (-3,1,2), = (-1,2,-1)
Do đó:
(1)ó ó => I(0,-2,-1)
Bán kính (S): R = IA = 2
=> (S): x2 + (y+2)2 + (z+1)2 = 12
Bài 16: Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm I(1,-3,6) và cắt trục Ox tại 2 điểm M,N sao cho MN = 8.
Giải:
Gọi H là hình chiếu của I trên Ox => H là trung điểm MN.
HM = HN = = 4; IH = d(I,Ox) =
Gọi R là bán kính của (S): R2 = IM2 + IH2 = 61
=> (S): (x-1)2 + (y+3)2 + (z-6)2 = 61
213
BÀI TẬP TỰ LUYỆN
Bài 1: Chứng minh 3 điểm A(1,1,1), B(-4,3,1), C(-9,5,1) thẳng hàng.
Bài 2: Cho hình bình hành ABCD. Biết A(-3,-2,0), B(3,-3,1), C(5,0,2)
Tìm tọa độ đỉnh D và góc giữa 2 vectơ và
Bài 3:
a) Tìm vectơ đơn vị vuông góc với trục Ox và vuông góc với = (3,6,8)
b) Tìm cùng phương với = (2 ,-1,4) biết rằng | | = 10
Bài 4: Cho = (1,1,-2), = (1,0,m). Tìm m để góc giữa và bằng 45o
Bài 5: Cho 2 điểm A(-2,3,1), B(5,6,-2). Đường thằng AB cắt mặt phẳng (Oxz) tại điểm M.
Điểm M chia đoạn AB theo tỉ số nào ? Tìm tọa độ điểm M.
Bài 6: Cho 3 điểm A(1,0,2), B(-2,1,1), C(1,-3,-2). Gọi M là điểm chia đoạn AB theo tỉ số -2; N là điểm chia đoạn BC theo tỉ số 2. Tính độ dài đoạn MN.
Bài 7: Cho 3 vectơ = (3,-2,4), = (5,1,6), = (-3,0,2). Tìm vectơ thỏa mãn đồng thời 3 điều kiện: . = 4, . = 35, vuông góc .
Bài 8: Cho 2 điểm A(1,2,3), B(2,0,-1)
a) Tìm điểm M thuộc trục Ox cách đều 2 điểm A và B. b) Tìm điểm N thuộc mặt phẳng (Oxy) cách đều 2 điểm A,B và
cách gốc O một khoảng bằng
Bài 9: Cho 2 điểm A(0,1,2), B(-1,1,0)
a) Tìm tọa độ tâm I của đường tròn ngoại tiếp ∆OAB b) Tìm tọa độ trực tâm H của ∆OAB
Bài 10: Cho 4 điểm A(1,0,0), B(0,1,0), C(0,0,1), D(-2,1,-1) a) Chứng minh A,B,C,D là 4 đỉnh của một tứ diện.
214
b) Tính góc giữa 2 đường thẳng AB và CD c) Tính độ dài đường cao của tứ diện kẻ từ đỉnh A.
Bài 11: Cho 2 điểm A(2,-1,0), B(-3,1,1)
a) Tìm điểm M Î mặt phẳng (Oyz) để MA + MB nhỏ nhất. b) Tìm điểm N Î mặt phẳng (Oyz) để |NA – NB| lớn nhất.
Bài 12: Cho ∆ABC có A(4,0,1), B(2,-1,3), C(5,-1,-1)
Tính độ dài đường phân giác trong của góc B.
Bài 13: Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm I(4,-2,1) biết:
a) (S) tiếp xúc mặt pẳng (Oxz). b) (S) tiếp xúc trục Ox. c) (S) cắt trục Oy tại 2 điểm A,B với AB = 10.
Bài 14: Viết pt mặt cầu (S) qua điểm A(1,-1,4) và tiếp xúc với 3 mặt phẳng tọa độ
Bài 15: Cho tứ diện OABC có A(4,0,0), B(0,-2,0), C(0,0,2), 0 là gốc tọa độ.
a) Tìm tâm và bán kính của mặt cầu ngoại tiếp tứ diện OABC. b) Tìm hình chiếu của đỉnh O trên mặt phẳng (ABC).
Bài 16: Cho 3 điểm A(-2,1,-2), B(2,1,1), C(-1,0,5). Viết phương trình mặt cầu có đường tròn lớn là đường tròn ngoại tiếp ∆ABC.