Bài giảng hệ tọa độ trong không gian Toán 12

Bài giảng hệ tọa độ trong không gian Toán 12 được sưu tầm và soạn thảo dưới dạng file PDF để gửi tới các bạn học sinh cùng tham khảo, ôn tập đầy đủ kiến thức, chuẩn bị cho các buổi học thật tốt. Mời bạn đọc đón xem!

23 12 lượt tải Tải xuống
Chia sẻ Báo cáo tài liệu

Chủ đề: Chương 3: Phương pháp tọa độ trong không gian

Môn: Toán 12

Thông tin:

17 trang 8 tháng trước

Tác giả:

Profile Mai Nguyệt
TOANMATH.com
Trang 1
CHUYÊN ĐỀ 7: PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN Oxyz
BÀI 1: HỆ TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN
Mục tiêu
Kiến thức
+ Nắm vững định nghĩa hệ trục tọa độ Oxyz trong không gian, các khái niệm về tọa độ điểm, tọa
độ vectơ.
+ Nắm vững biểu thức tọa độ các phép toán vectơ và các tính chất.
+ Nắm vững biểu thức tọa độ của tích vô hướng, tích có hướng của hai vectơ và các ứng dụng.
+ Nắm vững được phương trình mặt cầu, điều kiện để một phương trình là phương trình mặt cầu.
Kĩ năng
+ Biết tìm tọa độ của một điểm, một vectơ. Tính được tổng, hiệu các vectơ, tích của vectơ với
một số.
+ Tính được tích vô hướng của hai vectơ và các ứng dụng: tính độ dài vectơ, tính khoảng cách
giữa hai điểm, tính góc giữa hai vectơ;...
+ Xác định được tích có hướng của hai vectơ và vận dụng làm được một số bài toán
+ Viết phương trình mặt cầu biết tâm và bán kính
TOANMATH.com
Trang 2
I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Hệ tọa độ trong không gian
Hệ trục tọa độ Đề-các vuông góc trong không gian gồm ba trục
x'Ox, y'Oy, z'Oz vuông góc với nhau từng đôi một.
Gọi
, ,
i j k
lần lượt là các vectơ đơn vị trên các trục Ox, Oy, Oz.
Điểm O được gọi là gốc tọa độ.
Các mặt phẳng (Oxy), (Oyz), (Ozx) là các mặt phẳng tọa độ.
Không gian gắn với hệ tọa độ Oxyz được gọi là không gian Oxyz.
2. Tọa độ của vectơ
Trong không gian Oxyz, cho vectơ
u
. Khi đó
Chú ý:
1)
0 0;0;0 .
2)
1 1
2 2
3 3
a b
a b a b
a b
3)
a
cùng phương
1 1
2 2
3 3
a kb
a k
b b 0
b
a kb
Biểu thức tọa độ của các phép toán vectơ
Cho hai vectơ
1 2 3 1 2 3
; ; , ;
;
a a a a b b b b
và k là số thực tùy ý.
Khi đó ta có:
1 1 2 2 3 3
; ;
.
a b a b a b a b
1 1 2 2 3 3
; ;
.
a b a b a b a b
1 2 3
. ; ;
k a ka ka ka
1 1 2 2 3 3
.
. . . .
a b a b a b a b
Ứng dụng của tích vô hướng:
1 1 2 2 3 3
a .b aa b a.b 0 .b a .b
0
2
2 2 2
1 2 3
a a.a a a a .
2
2 2 2
1 2 3
a a a a a .
TOANMATH.com
Trang 3
1 1 2 2
2 2 2 2 2 2
1 2
3 3
3 1 2 3
a b a b a
a.b
cos a;b
a . b
a a . b b
b
a b
Với
a 0,b 0.
3. Tọa độ của một điểm
Trong không gian Oxyz, cho điểm M tùy ý.
Khi đó
M x; y;z OM(
xi yj zk
)
.
Tính chất
Nếu
A A A B B B
A x ; y ; y và B x ; y ; y
thì
B A B A C A
AB x x ; y y ;z z .
Khi đó
2
B A B
2 2
BA A
AB AB x x y y z z .
Tọa độ trung điểm I của đoạn thẳng AB là
A B A B A B
x x y y z z
; ; .
I
2 2 2
Tọa độ trọng tâm G của tam giác ABC là
C CA B A A CB B
x x y y z z
; ; .
3 3
x y
3
z
G
Tọa độ trọng tâm G của tứ diện ABCD là
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 của hai vectơ
Định nghĩa
Trong không gian Oxyz, cho hai vectơ
1 2 3
b b ;b ;b .
Tích có hướng của hai vectơ
a và b
là một vectơ
vuông góc với cả hai vectơ
a và b
, kí hiệu là
a ,b
và được xác định như sau:
2 3 3 1 1 2
2 3 3 1 1 2
a a a a
a a
a ,b ; ;
b b b b
b b
2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1
a a b ;a b a bb a
b
; b a .
Tính chất
a
cùng phương với
a b 0.
b ,
a ,b
vuông góc với cả hai vectơ
a và b
.
b,a a , b .
Chú ý: Trong hệ tọa độ Oxyz, cho điểm M
(x; y; z) ta có các khẳng định sau:
0; 0
.
0;
M O M
M Oxy z 0
, tức là
M x; y;0 .
M Oyz x 0
, tức là
M 0; y;z .
M Oxz y 0
, tức là
M x;0;z .
M Ox y z 0
, tức là
M x;0;0 .
M Oy x z 0
, tức là
M 0;y;0 .
M Oz x y 0
, tức là
M 0;0;z .
TOANMATH.com
Trang 4
a ,b a . b .sin a;b .
5. Phương trình mặt cầu
Trong không gian Oxyz, mặt cầu tâm
I
a;b;c
bán kính R có phương trình là
2 2 2
2
x a y b z c R .
Ngược lại phương trình
2 2 2
x y z 2Ax 2By 2Cz D 0 1 .
Với
2 2 2
0
A B C D
là phương trình mặt cầu tâm
; ;
I A B C
có bán kính
2 2 2
.
R A B C D
Chú ý: Điều kiện để phương trình (1) là phương trình mặt cầu là:
2 2 2
0.
A B C D
TOANMATH.com
Trang 5
SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HÓA
II. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Dạng 1: Tìm tọa độ điểm, vectơ trong hệ trục Oxyz
Phương pháp giải
Sử dụng các định nghĩa và khái niệm có liên quan đến điểm, vectơ: Tọa độ của điểm, vectơ; độ dài
vectơ, ...và các phép toán vectơ ... để tính tổng, hiệu các vectơ; tìm tọa độ trọng tâm tam giác, ...
Ví dụ mẫu
a,b
cùng phương
a , b 0
a , b a,b
a ,b a . b .sin a ;b
Không gian gắn với
hệ tọa độ Oxyz
Hệ tọa độ Đề-các vuông góc Oxyz gồm
ba trục x’Ox, y’Oy, z’Oz.
Điểm O là gốc tọa độ.
Các vectơ đơn vị trên các trục Ox, Oy,
Oz là
i, j,k
Các mặt phẳng tọa độ:
Oxy , Oyz , Ozx
HỆ TỌA ĐỘ
KHÔNG GIAN
Tích có hướng
Tích có hướng của hai
vectơ là một vectơ
1 2 3
a a ;a ;a ,
1 2 3
b b ;b ;b .
2 3 3 1 1 2
2 3 3 1 1 2
a a a a
a a
a ,b ; ;
b b b b
b b
2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1
a a b ;a b a bb a
b
; b a .
Tọa độ vectơ Tọa độ điểm
u x; y;z
u xi y j zk
M x; y;z
OM xi yj zk
2
2 2 2
x y z
u u
B A B A C A
AB x x ; y y ;z z
Biểu thức tọa độ của các phép toán vectơ
1 2 3
a a ;a ;a ,
1 2 3
b b ;b ;b .
1 1 2 2 3 3
; ;
.
a b a b a b a b
1 2 3
k.a ka ;k a ;k a
với k là số thực
1 1 2 2 3 3
. . . .
a b a b a b a b
TOANMATH.com
Trang 6
Ví dụ 1. Trong không gian Oxyz, cho
2;2;0 , 2;2;0 , 2;2;2 .
a b c
Giá trị của
a b c
bằng
A. 6. B.
2 6.
C. 11. D.
2 11.
Hướng dẫn giải
Ta có
2;6;2
a b c
nên
2 2 2
2 6 2 44 2 11.
a b c
Chọn D.
Ví dụ 2. Trong không gian Oxyz cho hai điểm
1;2;3 , 1;0;1 .
A B
Trọng tâm G của tam giác OAB có tọa độ là:
A.
0;1;1 .
B.
2 4
0; ; .
3 3
C.
0;2;4 .
D.
2; 2; 2 .
Hướng dẫn giải
Tọa độ trọng tâm tam giác là:
G
G
G
1 1 0
x 0
3
2 0 0 2 2 4
y G 0; ; .
3 3 3 3
3 1 0 4
z
3 3
Chọn B.
Ví dụ 3. Trong không gian Oxyz, hình chiếu vuông góc của điểm A(1;2;3) trên mặt phẳng (Oyz) là
A.
0; 2
(
;3 .
)
M
B.
1;0;3 .
N C.
1;0;0 .
P D.
0;2;0 .
Q
Chú ý: Hình chiếu của điểm M(x;y;z) lên mặt phẳng (Oyz) là
M 0; y;z .
Hướng dẫn giải
Ta có
0;2;3
M là hình chiếu của điểm
1;2;3
A trên mặt phẳng (Oyz).
Chọn A.
Ví dụ 4. Trong không gian Oxyz, góc giữa hai vectơ
i và u 3;0;1
là
A.
o
30 .
B.
o
120 .
C.
o
60 .
D.
o
150 .
Hướng dẫn giải
Ta có
i 1;0;0 và u 3;0;1
, áp dụng công thức tính góc giữa hai vectơ,
ta có:
i,u 3 3
i,u .
1.2 2
i . u
Suy ra góc giữa hai vectơ cần tìm là
o
i,u 150 .
Chọn D.
TOANMATH.com
Trang 7
Ví dụ 5. Trong không gian Oxyz, cho vectơ
0 0 0
1; 2;4 , ; ;
a b x y z
) cùng phương với vectơ
a
.
Biết vectơ
b
tạo với tia Oy một góc nhọn và
b 21.
Giá trị của tổng
0 0 0
x y z
bằng
A.
3.
B. 6. C.
6.
D. 3.
Hướng dẫn giải
Ta có
a,b
cùng phương nên ta có
b k.a k; 2k;4k ; k 0
Lại có
b 21.
suy ra
2 2 2
k 1
k 4k 16k 21
k 1.
Với
k 1
ta có
b 1; 2;4 ,
suy ra góc giữa
b
và Oy thỏa mãn
b.j
cos b,Oy ,
b . j
trong đó
b.j 2 0.
Suy ra góc tạo bởi
b
và Oy là góc tù. Suy ra
k 1
không thỏa mãn.
Với
k 1
ta có
b 1;2; 4 ,
suy ra góc giữa
b
và Oy thỏa mãn
b.j
cos b,Oy ,
b . j
trong đó
b.j 2 0.
Suy ra góc tạo bởi
b
và Oy là góc nhọn. Vậy
k 1
thỏa mãn.
Do đó
b 1;2; 4 .
Suy ra
0 0 0
1 2 4 3.
x y z
Chọn A.
Ví dụ 6. Trong không gian Oxyz, cho hình lăng trụ tam giác đều
.
ABC A B C
có
A 3; 1;1 ,
hai đỉnh
B, C thuộc trục Oz và
AA 1
(C không trùng với O). Biết vectơ
; ;
( )
2
u a b
(với
a, b
) là một vectơ
chỉ phương của đường thẳng
A C
. Tính
2 2
.
T a b
A.
T 5.
B.
T 16
. C.
T 4.
D.
T 9.
Hướng dẫn giải
Lấy M là trung điểm BC.
Khi đó ta có
AM BC
AA BC
nên
BC A M
tại M;
suy ra M là hình chiếu của
A
trên trục Oz
M 0;0;1 và A M 2.
Mặt khác
2 2
AM A M AA 3.
Lại có ABC đều nên
3
AM BC 3
2
BC 2 MC 1.
Gọi
C 0;0;c ,c 0
suy ra
MC c 1 .
TOANMATH.com
Trang 8
c 0
MC 1 c 1 1
c 2
( loại
c 0
)
C 0;0;2 .
A C 3;1;1
là một vectơ chỉ phương của đường thẳng
A C
Suy ra
u 2 3;2;2
cũng là một vectơ chỉ phương của
A C
.
Vậy
2 3; 2.
a b
Suy ra
2 2
16.
T a b
Chọn B
Bài tập tự luyện dạng 1
Bài tập cơ bản
Câu 1: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho
2 3 .
a i j k
Tọa độ của vectơ
a
là
A.
2; 1; 3 .
B.
3;2; 1 .
C.
2; 3; 1 .
D.
1;2; 3 .
Câu 2: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho
2; 3;3 , 0;2; 1 ,( )
3; 1;5 .
a b c
Tọa độ của vectơ
2 3 2
u a b c
là
A.
10; 2;13 .
B.
2;2; 7 .
C.
2; 2;7 .
D.
2;2 .
(
;7
)
Câu 3: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, nếu
u
là vectơ chỉ phương của trục Oy thì
A.
u
cùng hướng với vectơ
0;1;0 .
j
B.
u
cùng phương với vectơ
0;1;0 .
j
C.
u
cùng hướng với vectơ
i 1;0;0 .
D.
u
cùng phương với vectơ
i 1;0;0 .
Câu 4: Trong không gian Oxyz cho điểm
A 2;1;3 .
Hình chiếu vuông góc của A lên trục Ox có tọa độ
là:
A.
0;1;0 .
B.
2;0;0 .
C.
0;0;3 .
D.
0;1;3 .
Câu 5: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho hai vectơ
u 2;3; 1 và v 5;
)
; .
(
4 m
Tìm m để
u v.
A.
m 2.
B.
m 2.
C.
m 4.
D.
m 0.
Câu 6: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz cho điểm
M x; y;z .
Trong các mệnh đề sau, mệnh đề nào đúng?
A. Nếu M' đối xứng với M qua mặt phẳng (Oxz) thì
M ' x; y; z .
B. Nếu M' đối xứng với M qua Oy thì
M ' x; y; z .
C. Nếu M' đối xứng với M qua mặt phẳng (Oxy) thì
M ' x; y; z .
D. Nếu M' đối xứng với M qua gốc tọa độ O thì
M ' 2x;2y;0 .
TOANMATH.com
Trang 9
Câu 7: Trong không gian Oxyz, cho hình hộp
ABCD.A B C D
biết
1;0;1 , 2;1;2
A B ,
1; 1;1 ,
D
4;5; 5
.
C
Tọa độ của điểm A' là:
A.
4;6; 5 .
A
B.
3;4; 1 .
A
C.
3;5; 6 .
A
D.
3;5;6 .
A
Bài tập nâng cao
Câu 8: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hình thang ABCD có hai đáy AB, CD; có tọa độ ba
đỉnh
1;2;1 , 2;0; 1 , 6;1;0 .
B CA Biết hình thang có diện tích bằng
6 2.
Giả sử đỉnh
D a;b;c ,
tính
a b c.
A.
a b c 6.
B.
a b c 5.
C.
a b c 8.
D.
a b c 7.
Câu 9: Trong không gian Oxyz, cho tam giác ABC với
1;2;5 , B 3;4;1 , C 2;A
3; 3 .
Gọi G là trọng
tâm tam giác ABC và M là điểm thay đổi trên mp(Oxz). Độ dài GM ngắn nhất bằng
A. 2. B. 3. C. 4. D. 1.
Câu 10: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai điểm
A 1;0;1 , B 0;1; 1 .
Hai điểm D, E thay đổi trên các đoạn OA, OB sao
cho đường thẳng DE chia tam giác OAB thành hai phần có diện tích bằng
nhau. Khi DE ngắn nhất thì trung điểm của đoạn DE có tọa độ là
A.
2 2
I ; ;0 .
4 4
B.
2 2
I ; ;0 .
3 3
C.
1 1
I ; ;0 .
3 3
D.
1 1
I ; ;0 .
4 4
Dạng 2: Tích có hướng và ứng dụng
Bài toán 1. Tìm vectơ tích có hướng
Phương pháp giải
Để tính tích có hướng của hai vectơ, ta áp dụng
công thức:
2 3 3 1
1 2
2 3 3 1 1 2
, ; ;
a a a a
a a
a b
b b b b
b b
2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1
; ; .
a a b a b a b a b
b b
a
Ví dụ: Tính tích có hướng của hai vectơ
1;0;1 , 2;1; 1
a b
Hướng dẫn giải
0 1 1 1 1 0
, ; ; 1;3;1
1 1 1 2 2 1
a b
Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai vectơ
2;1; 2
a
và vectơ
1;0;2 .
b
Tìm
tọa độ vectơ
c
là tích có hướng của
a và b
.
A.
2;6; 1 .
c
B.
4;6; 1 .
c
C.
4; 6; 1 .
c
D.
2; 6; 1 .
c
Hướng dẫn giải
TOANMATH.com
Trang 10
1 2 2 2 2 1
, ; ; 2; 6; 1 .
0 2 2 1 1 0
c a b
Chọn D.
Ví dụ 2. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai vectơ
,
a b
khác
0.
Kết luận nào sau đây sai?
A.
,3 3 , .
a b a b
B.
2 , 2 , .
a b a b
C.
3 ,3 3 , .
a b a b
D.
.a ,b a b
.sin .
a ,b
Hướng dẫn giải
Ta có:
3 ,3 3 ,3 9 , .
a b a b a b
(C sai)
Chọn C.
Bài toán 2. Ứng dụng của tích có hướng để chứng minh tính đồng phẳng
Phương pháp giải
Ba vectơ
; ;
a b c
đồng phẳng
a,b .c 0
Bốn điểm Ạ B, C, D tạo thành tứ diện
AB,AC .AD 0.

Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Trong không gian Oxyz, cho ba vectơ
1;2;1 , 0;2; 1 , ,1;
(
0 .
)
a b c m
Tìm giá trị thực của tham số m để ba vectơ
; ;
a b c
đồng phẳng.
A.
m 1.
B.
m 0.
C.
1
m .
4
D.
1
m .
4
Hướng dẫn giải
Ta có
, 4;1;2 .
a b
Ba vectơ
; ;
a b c
đồng phẳng
1
a, b . c 0 4m 1 0 m .
4
Chọn D.
Ví dụ 2. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho năm điểm
0;0;3 , 2; 1;0 ,
A B
3;2;4 ,
C
1;3;5 ,
D
4;2;1
E tạo thành một hình chóp có đáy là tứ giác. Đỉnh của hình chóp tương ứng là
A. Điểm C. B. Điểm A. C. Điểm B. D. Điểm D.
Hướng dẫn giải
Xét đáp án A, giả sử C là đỉnh của hình chóp, ta có:
2; 1; 3 , 1;3;2 , 4;2; 2 , 3;2;1
AB AD AE AC

TOANMATH.com
Trang 11
AB, AD .AE 4.7 2.7 2.7 0
AB, AD .AC 3.7 2.7 1.7 14.
Suy ra A, B, D, E đồng phẳng.
Vậy điểm C là đỉnh của hình chóp.
Chọn A.
Ví dụ 3. Trong không gian Oxyz cho các điểm
1;0;0 , 0;2;0 , 0;0;3 , 2; 2;0 .
A B C D
Có tất cả bao nhiêu mặt phẳng phân biệt đi qua 3 trong 5 điểm O, A, B, C, D?
A. 10. B. 7. C. 5. D. 6.
Hướng dẫn giải
Ta có
1;2;0 , 1; 2;0 ,
AB AD
suy ra 3 điểm A, B, D thẳng hàng.
Từ đó chúng ta xác định được vị trí các điểm trong hệ trục độ Oxyz và đếm trực tiếp ta có 5 mặt phẳng
đi qua 3 trong 5 điểm O, A, B, C, D là:
, , , ,
OCB OCA OCD OAB ABC
Chọn C.
Bài toán 3. Ứng dụng của tích có hướng để tính diện tích và thể tích
Phương pháp giải
Diện tích hình bình hành:
ABCD
S AB,AD .
Tính diện tích tam giác:
ABC
S AB,AC .

Tính thể tích hình hộp:
ABCD.A B C D
V AB,AC .AD .

Tính thể tích tứ diện:
ABCD
1
V AB, AC .AD .
6

Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho ba điểm
1;2;0 , 2;1;2 , 1;3;1 .
A B C
Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC là
A.
3 10.
B.
3 10
.
5
C.
10
.
5
D.
10.
Hướng dẫn giải
Ta có:
1; 1;2 , 2;1;1 , 3;2; 1
AB AC BC

Suy ra
AB AC 6; BC 14.
Suy ra
ABC
1 35
S AB,AC .
2 2

Gọi R
ABC
là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC, ta có
TOANMATH.com
Trang 12
ABC
ABC
AB.AC.BC 6. 6. 14 3 10
R .
4S 5
35
4.
2
Chọn B.
Ví dụ 2. Trong không gian Oxyz, cho
2; 1; 1 , 3;0 (
;1 , 2; 1;3
)
A B C và D nằm trên trục Oy. Thể tích
tứ diện ABCD bằng 5. Tọa độ của D là
A.
D 0; 7;0 .
B.
D 0;8;0 .
C.
D 0; 7;0
hoặc
D 0;8;0 .
D.
D 0;7;0
hoặc
D 0; 8;0 .
Hướng dẫn giải
Vì
D Oy
nên
D 0;y;0 .
Khi đó. Thể tích của tứ diện ABCD là
1 1
V AB,AC .AD 4y 2
6 6
Theo đề ra, ta có
y 7
1
4y 2 5
y 8.
6
Chọn C.
Ví dụ 3. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hình lăng trụ
. ' ' '
ABC A B C
có tọa độ các đỉnh
3
0;0;0 , 0; ;0 , ; ;0 0;0;2 .
2 2
a a
A B a C và A a
Gọi D là trung điểm cạnh BB' và M di động trên
cạnh AA'. Diện tích nhỏ nhất của tam giác MDC' là
A.
2
3
.
4
a
B.
2
5
.
4
a
C.
2
6
.
4
a
D.
2
15
.
4
a
Hướng dẫn giải
Ta có
a 3 a
CC AA C ; ;2a .
2 2
TOANMATH.com
Trang 13
CC BB B 0;a;2a .
Điểm D là trung điểm của BB' nên
0; ; .
D a a
( )
0;0;
M t
với
0 t 2a.
Ta có
a 3 a
DC ; ;a ,DM 0; a;t a .
2 2
Ta có:
2
2
2 2 2
MDC
a 2t 3a 6a
1 a 4t 12at 15a a 6
S DC ,DM .
2 4 4 4
Suy ra
2
MDC
a 6
minS
4
khi
3
t a.
2
Chọn C.
Bài tập tự luyện dạng 2
Bài tập cơ bản
Câu 1: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai vectơ
2;1; 2
a và vectơ
1;0;2 .
b Tìm tọa
độ vectơ
c
là tích có hướng của
a và b
A.
2;6; 1 .
c B.
4;6; 1 .
c C.
4; 6; 1 .
c D.
2; 6; 1 .
c
Câu 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho bốn điểm
1; 2;0 , 1;0; 1 , 0; 1;2
A B c và
D 0;m;p .
Hệ thức liên hệ giữa m và p để bốn điểm A, B, C, D đồng phẳng là
A.
m p 3.
B.
2m 3p 3.
C.
2m p 3.
D.
m 2p 3.
Câu 3: Trong không gian tọa độ Oxyz, cho hình bình hành ABCD với
1;0;1 , 2;1;2 ,
A B giao điểm hai
đường chéo
3 3
I ;0; .
2 2
Diện tích hình bình hành là
A.
2.
B.
5.
C.
6.
D.
3.
Câu 4: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho bốn điểm
1;0;2 , 2;1;3 ,
BA
3;2;4 ,
C
6;9; 5 .
D Tọa độ trọng tâm của tứ diện ABCD là
A.
2;3;1 .
B.
2;3;1 .
C.
2;3; 1 .
D.
2; 3;1 .
Câu 5: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hình hộp
.
ABCD A B C D
với
2;1;3 , 2;3;5 ,
A C
' 2;4; 1 , ' 0;2;1 .
B D Tìm tọa độ điểm B.
A.
1; 3;3 .
B B.
1;3;3 .
B C.
1;3; 3 .
C
D.
1;3;3 .
B
Bài tập nâng cao
Câu 6: Trong không gian tọa độ Oxyz, cho
2;0;0 , 0;2;0 , 0;0;2 .
A B C Có tất cả bao nhiêu điểm M
trong không gian thỏa mãn M không trùng với các điểm A, B, C và
90 ?
AMB BMC CMA
A. 0. B. 1. C. 2. D. 3.
TOANMATH.com
Trang 14
Dạng 3: Phương trình mặt cầu
Phương pháp giải
Cách viết phương trình mặt cầu:
Mặt cầu tâm
I a;b;c ,
bán kính R có phương trình
2 2 2
2
x a y b z c R .
Ví dụ: Phương trình mặt cầu tâm
2; 1;1 ,
I bán kính R = 3 là
2 2 2
x 2 y 1 z 1 9.
Xét phương trình:
2 2 2
y z 2ax 2by 2cz d 0. *
x
Ta có
2 2 2
* x 2ax y 2by z 2cz d
2 2 2
2 2 2
x a y b z c a b c d.
Điều kiện để phương trình (*) là phương trình mặt cầu
2 2 2
a b c d.
Khi đó (S) có
2 2 2
taâm I a; b; c
baùn kính
R a b c d.
Đặc biệt mặt cầu
2 2 2 2
: x
S y z R
thì (S) có
taâmO 0;0;0
baùn kínhR.
Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu (S) có phương trình
2 2 2
y z 2x 4y 6 0
x
z 2 .
Xác định tọa độ tâm I của mặt cầu (S) là
A.
1; 2;3 .
I B.
1; 2;1 .
I C.
1;2;3 .
I D.
1;2; 3 .
I
Hướng dẫn giải
Tọa độ tâm của mặt cầu (S) là
2 4 6
I ; ; 1; 2;3 .
2 2 2
Chọn A.
Ví dụ 2. Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho mặt cầu (S) có phương trình
2 2 2
S : x y z 2x 6y 6z 6 0.
Tính diện tích mặt cầu (S)
A.
100 .
B.
120 .
C.
9 .
D.
42 .
Hướng dẫn giải
Mặt cầu (S) có tâm
I
1; 3;3
, bán kính
r 1 9 9 6 5.
Vậy diện tích mặt cầu là
2 2
4 r 4 .5 100 .
TOANMATH.com
Trang 15
Chọn A.
Ví dụ 3. Trong không gian Oxyz, cho điểm
I
1; 2;3 .
Viết phương trình mặt cầu tâm I, cắt trục Ox tại
hai điểm A và B sao cho
AB 2 3.
A.
2 2 2
x 1 y 2 z 3 16.
B.
2 2
2
x 1 y 2 z 3 2
( )
0.
C.
2 2 2
x 1 y 2 z 3 25.
D.
2 2 2
x 1 y 2 z 3 9.
Chú ý:
Tính khoảng cách từ điểm A đến đường thẳng
:
- Xác định điểm
M .
- Áp dụng công thức:
AM,u
d A, .
u
Hướng dẫn giải
Gọi H là trung điểm
AB IH AB
tại
I;Ox
I; AB
H IH d d
Lấy
I,Ox
IM,i
M 2;0;0 Ox IH d 3.
i
Bán kính mặt cầu cần tìm là
2 2
R IA IH HA 4.
Vậy phương trình mặt cầu cần tìm là
2 2 2
x 1 y 2 z 3 16.
Chọn A.
Ví dụ 4. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu
2 2 2
S : x 1 y 2 z 1 9
và hai
điểm
A 4;3;1 , B 3;1;3 ;
M là điểm thay đổi trên (S). Gọi m, n lần lượt là giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của
biểu thức
2 2
P 2MA MB .
Giá trị
(m n)
bằng
A. 64. B. 60. C. 68. D. 48.
Hướng dẫn giải
Mặt cầu (S) có tâm
I 1;2; 1
và bán kính R = 3.
TOANMATH.com
Trang 16
Lấy điểm E sao cho
2AE BE 0 E 5;5; 1 .
Ta có
IE 5.
Dễ thấy điểm E là điểm nằm ngoài mặt cầu (S).
Khi đó
2 2
2 2 2 2 2
P 2MA MB 2 ME AE ME BE ME 2AE BE .

P lớn nhất và nhỏ nhất khi và chỉ khi ME lớn nhất và nhỏ nhất.
max ME IE R 8;min ME IE R 2.
Do đó
2
2 2
2
;n mim max P 64
n P 4 2AE BE
E
.
2AE B
Suy ra
m n 60.
Chọn B.
Bài tập tự luyện dạng 3
Bài tập cơ bản
Câu 1: Trong không gian Oxyz, cho hai điểm
I 1; 2;3 ,M 0;1;5 .
Phương trình mặt cầu có tâm I và đi
qua M là
A.
2 2
2
(
x 1 y 2 z 3 4.
)
1
B.
2 2 2
x 1 y 2 z 3 14.
C.
2 2 2
x 1 y 2 z 3 14.
D.
2 2
2
x 1 y 2 z 3 1
( )
4.
Câu 2: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho điểm
1;1;2 ,BA
3;2; 3 .
Mặt cầu (S) có tâm I
thuộc Ox và đi qua hai điểm A, B có phương trình
A.
2 2 2
y z 2 0.
x 8x
B.
2 2 2
y z 8x 2 0
x
.
C.
2 2 2
y z 2 0.
x 4x
D.
2 2 2
y z 2 0.
x 8x
Câu 3: Trong không gian Oxyz, xét mặt cầu (S) có phương trình dạng
2 2 2
y z 4x 2y 2az 10a 0.
x
Tập hợp các giá trị thực của a để (S) có chu vi đường tròn lớn bằng
8
là
A.
1;10 .
B.
2; 10 .
C.
1;11 .
D.
1; 11
Câu 4: Trong không gian Oxyz, cho hai điểm
A 1;0; 1 , B 3; 2;1 .
Gọi (S) là mặt cầu có tâm I thuộc
mặt phẳng (Oxy), bán kính
11
và đi qua hai điểm A, B. Biết I có tung độ âm, phương trình mặt cầu (S)
là
A.
2 2 2
y z 2 0.
x 6y
B.
2 2 2
y z 7 0.
x 4y
C.
2 2 2
y z 7 0.
x 4y
D.
2 2 2
y z 2 0.
x 6y
Bài tập nâng cao
Câu 5: Trong không gian Oxyz, cho
2;0;0 ; B 0; 2;0 ; C 0;0 2 .
A ;
D là điểm khác O sao cho DA,
DB, DC đôi một vuông góc. Gọi I(a;b;c) là tâm mặt cầu ngoại tiếp tứ diện ABCD. Giá trị của biểu thức
S a b c
A.
4.
B.
1.
C.
2.
D.
3.
TOANMATH.com
Trang 17
ĐÁP ÁN
Dạng 1. Tìm tọa độ điểm, vectơ liên quan đến hệ trục Oxyz
1 - D 2- B 3- B 4- B 5- A 6- C 7- C 8- C 9- B 10- A
Dạng 2. Tích có hướng và ứng dụng
1 - D 2- D 3- A 4- A 5 - D 6 -C
Dạng 3: Phương trình mặt cầu
1 - B 2- A 3 -C 4 -A 5 -B
| 1/17
| | Tải xuống

Có thể bạn quan tâm:

Preview text:

CHUYÊN ĐỀ 7: PHƯƠNG PHÁP TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN Oxyz
BÀI 1: HỆ TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN Mục tiêu  Kiến thức
+ Nắm vững định nghĩa hệ trục tọa độ Oxyz trong không gian, các khái niệm về tọa độ điểm, tọa độ vectơ.
+ Nắm vững biểu thức tọa độ các phép toán vectơ và các tính chất.
+ Nắm vững biểu thức tọa độ của tích vô hướng, tích có hướng của hai vectơ và các ứng dụng.
+ Nắm vững được phương trình mặt cầu, điều kiện để một phương trình là phương trình mặt cầu.  Kĩ năng
+ Biết tìm tọa độ của một điểm, một vectơ. Tính được tổng, hiệu các vectơ, tích của vectơ với một số.
+ Tính được tích vô hướng của hai vectơ và các ứng dụng: tính độ dài vectơ, tính khoảng cách
giữa hai điểm, tính góc giữa hai vectơ;...
+ Xác định được tích có hướng của hai vectơ và vận dụng làm được một số bài toán
+ Viết phương trình mặt cầu biết tâm và bán kính TOANMATH.com Trang 1 I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Hệ tọa độ trong không gian
Hệ trục tọa độ Đề-các vuông góc trong không gian gồm ba trục
x'Ox, y'Oy, z'Oz vuông góc với nhau từng đôi một.   
Gọi i, j, k lần lượt là các vectơ đơn vị trên các trục Ox, Oy, Oz.
Điểm O được gọi là gốc tọa độ.
Các mặt phẳng (Oxy), (Oyz), (Ozx) là các mặt phẳng tọa độ.
Không gian gắn với hệ tọa độ Oxyz được gọi là không gian Oxyz. 2. Tọa độ của vectơ 
Trong không gian Oxyz, cho vectơ u . Khi đó     
u  x; y;z  u  xi  yj zk. Chú ý:  1) 0  0;0;0. a  b 1 1    2) a  b  a  b 2 2 a  b  3 3  a  kb    
3) a cùng phương b b  0 1 1  a  kb 2 2 a  kb  3 3
Biểu thức tọa độ của các phép toán vectơ  
Cho hai vectơ a  a ;a ;a ,b  b ;b ;b và k là số thực tùy ý. 1 2 3   1 2 3 Khi đó ta có:  
 a  b  a  b ;a  b ;a  b . 1 1 2 2 3 3   
 a  b  a  b ;a  b ;a  b . 1 1 2 2 3 3    k.a  ka ;ka ;ka 1 2 3     .
a b  a .b  a .b  a .b . 1 1 2 2 3 3 
Ứng dụng của tích vô hướng:    
 a  b  a.b  0  a .b  a .b  a .b  0 1 1 2 2 3 3     2 2 2 2 a  a.a  a  a  a . 1 2 3    2 2 2 2 a  a  a  a  a . 1 2 3 TOANMATH.com Trang 2        a.b a b a b a b cos a;b 1 1 2 2 3 3     2 2 2 2 2 2 a . b a  a  a . b  b  b 1 2 3 1 2 3     Với a  0, b  0.
3. Tọa độ của một điểm
Trong không gian Oxyz, cho điểm M tùy ý.    
Khi đó M(x; y; z)  OM  xi  y j  zk. Tính chất
Chú ý: Trong hệ tọa độ Oxyz, cho điểm M
 Nếu A x ; y ; y và B x ; y ; y thì
(x; y; z) ta có các khẳng định sau: A A A   B B B 
 M  O  M 0;0;0.
ABx  x ; y  y ;z  z . B A B A C A  
 M Oxy  z  0 , tức là Mx; y;0.
Khi đó AB  AB  x  x 2 2 2  y  y  z  z . B A  B A   B A 
 M Oyz  x  0 , tức là M0; y;z.
 Tọa độ trung điểm I của đoạn thẳng AB là
 M Oxz  y  0 , tức là Mx;0;z.  x  x y  y z  z  A B A B A B I ; ; .    2 2 2 
 M Ox  y  z  0 , tức là M x;0;0.
 Tọa độ trọng tâm G của tam giác ABC là
 M Oy  x  z  0 , tức là M 0; y;0.  x  x  x y  y  y z  z  z  A B C A B C A B C G ; ; .  
 M Oz  x  y  0 , tức là M 0;0;z.  3 3 3 
 Tọa độ trọng tâm G của tứ diện ABCD là  x  x  x  x y  y  y  y z  z  z  z  A B C D A B C D A B C D G ; ;    4 4 4 
4. Tích có hướng của hai vectơ Định nghĩa   
Trong không gian Oxyz, cho hai vectơ b  b ;b ;b . Tích có hướng của hai vectơ a và b là một vectơ 1 2 3     
vuông góc với cả hai vectơ a và b , kí hiệu là a , b 
 và được xác định như sau:    a a a a a a  2 3 3 1 1 2 a ,b   ; ;    b b b b b b  2 3 3 1 1 2 
 a b  a b ;a b  a b ;a b  a b . 2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1  Tính chất     
 a cùng phương với b  a , b  0.        a ,b 
 vuông góc với cả hai vectơ a và b .    
 b,a   a , b.     TOANMATH.com Trang 3        a ,b  a . b .sin   a;b.
5. Phương trình mặt cầu
Trong không gian Oxyz, mặt cầu tâm I a;b;cbán kính R có phương trình là
  2    2    2 2 x a y b z c  R .
Ngược lại phương trình 2 2 2
x  y  z  2Ax  2By  2Cz  D  0   1 . Với 2 2 2
A  B  C  D  0 là phương trình mặt cầu tâm I  ; A  ; B C  có bán kính 2 2 2 R  A  B  C  D.
Chú ý: Điều kiện để phương trình (1) là phương trình mặt cầu là: 2 2 2 A  B  C  D  0. TOANMATH.com Trang 4 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HÓA
Hệ tọa độ Đề-các vuông góc Oxyz gồm
ba trục x’Ox, y’Oy, z’Oz.    a, b cùng phương
Điểm O là gốc tọa độ.        a , b    0
Các vectơ đơn vị trên các trục Ox, Oy,     Không gian gắn với     a , b    a ,  b Oz là i, j, k hệ tọa độ Oxyz        a ,b  a . b .sin   a;b
Các mặt phẳng tọa độ: Oxy,Oyz,Ozx HỆ TỌA ĐỘ Tích có hướng KHÔNG GIAN Tích có hướng của hai Tọa độ vectơ Tọa độ điểm vectơ là một vectơ  u  x; y;z M x; y;z            u  xi  y j zk  OM  xi  y j zk
a  a ;a ;a , b  b ;b ;b . 1 2 3  1 2 3     a a a a a a  2 3 3 1 1 2 a ,b   ; ;       b b b b b b 2   2 2 2 u  u  x  y  z
ABx  x ; y  y ;z  z B A B A C A  2 3 3 1 1 2
 a b  a b ;a b  a b ;a b  a b . 2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1 
Biểu thức tọa độ của các phép toán vectơ  
a  a ;a ;a , b  b ;b ;b . 1 2 3  1 2 3   
a  b  a  b ;a  b ;a  b . 1 1 2 2 3 3  
k.a  ka ;k a ;k a với k là số thực 1 2 3    .
a b  a .b  a .b  a .b 1 1 2 2 3 3 II. CÁC DẠNG BÀI TẬP
Dạng 1: Tìm tọa độ điểm, vectơ trong hệ trục Oxyz Phương pháp giải
Sử dụng các định nghĩa và khái niệm có liên quan đến điểm, vectơ: Tọa độ của điểm, vectơ; độ dài
vectơ, ...và các phép toán vectơ ... để tính tổng, hiệu các vectơ; tìm tọa độ trọng tâm tam giác, ... Ví dụ mẫu TOANMATH.com Trang 5   
Ví dụ 1. Trong không gian Oxyz, cho a 2;2;0,b2;2;0,c2;2;2.   
Giá trị của a  b  c bằng A. 6. B. 2 6. C. 11. D. 2 11. Hướng dẫn giải      
Ta có a  b  c  2;6;2 nên 2 2 2
a  b  c  2  6  2  44  2 11. Chọn D.
Ví dụ 2. Trong không gian Oxyz cho hai điểm A1;2;3, B 1  ;0;  1 .
Trọng tâm G của tam giác OAB có tọa độ là:  2 4  A. 0;1;  1 . B. 0; ; .   C. 0;2;4. D. 2;2; 2  .  3 3  Hướng dẫn giải  11 0 x   0  G 3   2  0  0 2  2 4 
Tọa độ trọng tâm tam giác là: y    G 0; ; . G   3 3   3 3   3 1 0 4 z    G  3 3 Chọn B.
Ví dụ 3. Trong không gian Oxyz, hình chiếu vuông góc của điểm A(1;2;3) trên mặt phẳng (Oyz) là A. M (0; 2;3 . ) B. N 1;0;3. C. P 1;0;0. D. Q 0;2;0.
Chú ý: Hình chiếu của điểm M(x;y;z) lên mặt phẳng (Oyz) là M0; y;z. Hướng dẫn giải
Ta có M 0;2;3 là hình chiếu của điểm A1;2;3 trên mặt phẳng (Oyz). Chọn A.  
Ví dụ 4. Trong không gian Oxyz, góc giữa hai vectơ i và u   3;0;  1 là A. o 30 . B. o 120 . C. o 60 . D. o 150 . Hướng dẫn giải  
Ta có i  1;0;0 và u   3;0; 
1 , áp dụng công thức tính góc giữa hai vectơ,      ta có:   i,u 3 3 i, u       . i . u 1.2 2  
Suy ra góc giữa hai vectơ cần tìm là   o i, u  150 . Chọn D. TOANMATH.com Trang 6   
Ví dụ 5. Trong không gian Oxyz, cho vectơ a  1; 2
 ;4, b   x ; y ; z ) cùng phương với vectơ a . 0 0 0   
Biết vectơ b tạo với tia Oy một góc nhọn và b  21. Giá trị của tổng x  y  z bằng 0 0 0 A. 3. B. 6. C. 6  . D. 3. Hướng dẫn giải    
Ta có a, b cùng phương nên ta có b  k.a  k; 2  k;4k;k  0  k  1 Lại có b  21. suy ra 2 2 2 k  4k 16k  21   k  1.  
Với k  1 ta có b  1; 2
 ; 4, suy ra góc giữa b và Oy thỏa mãn     b.j  
cos b,Oy    , trong đó b.j  2   0. b . j 
Suy ra góc tạo bởi b và Oy là góc tù. Suy ra k  1không thỏa mãn.  
Với k  1 ta có b  1;2;4, suy ra góc giữa b và Oy thỏa mãn     b.j  
cos b,Oy    , trong đó b.j  2  0. b . j 
Suy ra góc tạo bởi b và Oy là góc nhọn. Vậy k  1thỏa mãn.  Do đó b   1
 ;2;4.Suy ra x  y  z  1 2  4  3  . 0 0 0 Chọn A.
Ví dụ 6. Trong không gian Oxyz, cho hình lăng trụ tam giác đều ABC.A B  C   có A 3; 1  ;  1 , hai đỉnh 
B, C thuộc trục Oz và AA  1 (C không trùng với O). Biết vectơ u  ( ; a ;
b 2) (với a, b   ) là một vectơ
chỉ phương của đường thẳng AC . Tính 2 2 T  a  b . A. T  5. B. T  16 . C. T  4. D. T  9. Hướng dẫn giải Lấy M là trung điểm BC. AM  BC Khi đó ta có  nên BC  A M  tại M; AA  BC
suy ra M là hình chiếu của A trên trục Oz  M 0;0;  1 và A M   2. Mặt khác 2 2 AM  A M   AA  3. 3
Lại có ABC đều nên AM  BC  3 2  BC  2  MC  1.
Gọi C0;0;c,c  0 suy ra MC  c 1 . TOANMATH.com Trang 7 c  0
MC  1  c 1  1  
( loại c  0 )  C0;0;2. c  2  A C
   3;1; 1 là một vectơ chỉ phương của đường thẳng A C   Suy ra u   2
 3;2; 2 cũng là một vectơ chỉ phương của A C  . Vậy a  2  3;b  2. Suy ra 2 2 T  a  b  16. Chọn B
Bài tập tự luyện dạng 1 Bài tập cơ bản     
Câu 1: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho a  i
  2 j  3k. Tọa độ của vectơ a là A. 2;1;3. B. 3;2;  1 . C. 2; 3  ;  1 . D. 1;2; 3  .   
Câu 2: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho a  (2; 3  ;3 ,)b  0;2;  1 , c  3; 1  ;5.    
Tọa độ của vectơ u  2a  3b  2c là A. 10; 2  ;13. B. 2;2;7. C. 2; 2  ;7. D. ( 2  ;2;7 .) 
Câu 3: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, nếu u là vectơ chỉ phương của trục Oy thì  
A. u cùng hướng với vectơ j  0;1;0.  
B. u cùng phương với vectơ j  0;1;0.  
C. u cùng hướng với vectơ i  1;0;0.  
D. u cùng phương với vectơ i  1;0;0.
Câu 4: Trong không gian Oxyz cho điểm A  2
 ;1;3. Hình chiếu vuông góc của A lên trục Ox có tọa độ là: A. 0;1;0. B. 2;0;0. C. 0;0;3. D. 0;1;3.  
Câu 5: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho hai vectơ u  2;3;  1 và v  5 ( ; ; 4 ) m .   Tìm m để u  v. A. m  2. B. m  2. C. m  4. D. m  0.
Câu 6: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz cho điểm M x; y;z.
Trong các mệnh đề sau, mệnh đề nào đúng?
A. Nếu M' đối xứng với M qua mặt phẳng (Oxz) thì M 'x; y;z.
B. Nếu M' đối xứng với M qua Oy thì M 'x; y;z.
C. Nếu M' đối xứng với M qua mặt phẳng (Oxy) thì M 'x; y;z.
D. Nếu M' đối xứng với M qua gốc tọa độ O thì M '2x;2y;0. TOANMATH.com Trang 8
Câu 7: Trong không gian Oxyz, cho hình hộp ABCD.A B  C  D   biết A1;0; 
1 , B 2;1;2 , D 1;1;  1 , C 4;5; 5
 . Tọa độ của điểm A' là: A. A4;6; 5  . B. A 3  ;4;  1 . C. A3;5; 6  . D. A3;5;6. Bài tập nâng cao
Câu 8: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hình thang ABCD có hai đáy AB, CD; có tọa độ ba đỉnh A1;2;  1 , B 2;0; 
1 , C 6;1;0. Biết hình thang có diện tích bằng 6 2.
Giả sử đỉnh Da;b;c, tính a  b  c. A. a  b  c  6. B. a  b  c  5. C. a  b  c  8. D. a  b  c  7.
Câu 9: Trong không gian Oxyz, cho tam giác ABC với A 1;2;5, B3;4;  1 , C2;3; 3  . Gọi G là trọng
tâm tam giác ABC và M là điểm thay đổi trên mp(Oxz). Độ dài GM ngắn nhất bằng A. 2. B. 3. C. 4. D. 1.
Câu 10: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai điểm A 1;0;  1 , B0;1; 
1 . Hai điểm D, E thay đổi trên các đoạn OA, OB sao
cho đường thẳng DE chia tam giác OAB thành hai phần có diện tích bằng
nhau. Khi DE ngắn nhất thì trung điểm của đoạn DE có tọa độ là  2 2   2 2  A. I ; ;0.  B. I ; ;0. 4 4      3 3    1 1   1 1  C. I ; ;0 .   D. I ; ;0 .    3 3   4 4 
Dạng 2: Tích có hướng và ứng dụng
Bài toán 1. Tìm vectơ tích có hướng Phương pháp giải
Để tính tích có hướng của hai vectơ, ta áp dụng
Ví dụ: Tính tích có hướng của hai vectơ   công thức: a  1;0;  1 ,b  2;1;  1    a a a a a a  2 3 3 1 1 2 a,b   ; ;  Hướng dẫn giải   b b b b b b  2 3 3 1 1 2     0 1 1 1 1 0  a,b   ; ;    1  ;3;  1
 a b  a b ;a b  a b ;a b  a b .   1 1  1 2 2 1 2 3 3 2 3 1 1 3 1 2 2 1    Ví dụ mẫu  
Ví dụ 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai vectơ a  2;1;2 và vectơ b  1;0;2. Tìm   
tọa độ vectơ c là tích có hướng của a và b .     A. c  2;6;  1 . B. c  4;6;  1 . C. c  4; 6  ;  1 . D. c  2; 6  ;  1 . Hướng dẫn giải TOANMATH.com Trang 9     1 2  2  2 2 1  c  a ,b   ; ;   2;6;  1 .   0 2 2 1 1 0   Chọn D.   
Ví dụ 2. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai vectơ a,b khác 0.
Kết luận nào sau đây sai?        
A. a ,3b  3 a ,b.    
B. 2a ,b  2 a ,b.              
C. 3a ,3b  3a ,b.     D. a , b  a . b .sin   a,b. Hướng dẫn giải      
Ta có: 3a ,3b  3a ,3b  9 a ,b.       (C sai) Chọn C.
Bài toán 2. Ứng dụng của tích có hướng để chứng minh tính đồng phẳng Phương pháp giải        Ba vectơ a; ;
b c đồng phẳng  a, b.c  0  
  
 Bốn điểm Ạ B, C, D tạo thành tứ diện  AB, AC.AD  0.   Ví dụ mẫu   
Ví dụ 1. Trong không gian Oxyz, cho ba vectơ a  1;2;  1 ,b  0;2;  1 , c  ( , m 1;0 . )   
Tìm giá trị thực của tham số m để ba vectơ a; ; b c đồng phẳng. 1 1 A. m  1. B. m  0. C. m   . D. m  . 4 4 Hướng dẫn giải   Ta có a ,b   4  ;1;2.         1 Ba vectơ a; ;
b c đồng phẳng  a, b . c  0  4  m 1  0  m  .   4 Chọn D.
Ví dụ 2. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho năm điểm A0;0;3, B2; 1  ;0, C 3;2;4, D 1;3;5, E 4;2; 
1 tạo thành một hình chóp có đáy là tứ giác. Đỉnh của hình chóp tương ứng là A. Điểm C. B. Điểm A. C. Điểm B. D. Điểm D. Hướng dẫn giải
Xét đáp án A, giả sử C là đỉnh của hình chóp, ta có:     AB  2; 1  ; 3
 , AD  1;3;2, AE  4;2;2, AC  3;2;  1 TOANMATH.com Trang 10
  
AB,AD.AE  4.7  2.7  2.7  0  
    
AB, AD.AC  3.7  2.7 1.7 14.  
Suy ra A, B, D, E đồng phẳng.
Vậy điểm C là đỉnh của hình chóp. Chọn A.
Ví dụ 3. Trong không gian Oxyz cho các điểm A1;0;0, B 0;2;0, C 0;0;3, D2;2;0.
Có tất cả bao nhiêu mặt phẳng phân biệt đi qua 3 trong 5 điểm O, A, B, C, D? A. 10. B. 7. C. 5. D. 6. Hướng dẫn giải   Ta có AB   1  ; 2;0, AD  1; 2
 ;0, suy ra 3 điểm A, B, D thẳng hàng.
Từ đó chúng ta xác định được vị trí các điểm trong hệ trục độ Oxyz và đếm trực tiếp ta có 5 mặt phẳng
đi qua 3 trong 5 điểm O, A, B, C, D là:
OCB, OCA, OCD, OAB, ABC Chọn C.
Bài toán 3. Ứng dụng của tích có hướng để tính diện tích và thể tích Phương pháp giải  
 Diện tích hình bình hành: S  AB,AD .  ABCD    
 Tính diện tích tam giác: S  AB, AC .  ABC  
  
 Tính thể tích hình hộp: V        AB, AC .AD . ABCD.A B C D  
    1
Tính thể tích tứ diện: V  AB, AC.AD . ABCD 6   Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho ba điểm A1;2;0, B 2;1;2, C 1;3;  1 .
Bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC là 3 10 10 A. 3 10. B. . C. . D. 10. 5 5 Hướng dẫn giải   
Ta có: AB  1;1;2, AC   2  ;1;  1 , BC  3;2;  1
Suy ra AB  AC  6; BC  14. 1   35 Suy ra S  AB,AC  . ABC 2   2
Gọi RABC là bán kính đường tròn ngoại tiếp tam giác ABC, ta có TOANMATH.com Trang 11 AB.AC.BC 6. 6. 14 3 10 R    . ABC 4S 35 5 ABC 4. 2 Chọn B.
Ví dụ 2. Trong không gian Oxyz, cho A2; 1;  1 , B 3;0;  1 , C(2; 1
 ;3) và D nằm trên trục Oy. Thể tích
tứ diện ABCD bằng 5. Tọa độ của D là A. D0; 7  ;0. B. D0;8;0.
C. D0;7;0 hoặc D0;8;0.
D. D0;7;0 hoặc D0; 8  ;0. Hướng dẫn giải
Vì D  Oy nên D0; y;0. Khi đó. Thể tích của tứ diện ABCD là
1    1 V  AB,AC.AD  4y  2 6   6 1 y  7 
Theo đề ra, ta có 4y  2  5  6  y  8. Chọn C.
Ví dụ 3. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hình lăng trụ ABC.A' B 'C ' có tọa độ các đỉnh A  B a   a 3 a  0;0;0 , 0; ;0 ,C  ; ;0và  A 0;0;2a. 
Gọi D là trung điểm cạnh BB' và M di động trên 2 2   
cạnh AA'. Diện tích nhỏ nhất của tam giác MDC' là 2 a 3 2 a 5 2 a 6 2 a 15 A. . B. . C. . D. . 4 4 4 4 Hướng dẫn giải     a 3 a Ta có C  C  AA   C  ; ;2a  2 2 .   TOANMATH.com Trang 12   C  C  B  B   B 0;a;2a.
Điểm D là trung điểm của BB' nên D 0; ; a a.    a 3 a 
M (0;0;t) với 0  t  2a. Ta có D  C  
; ;a,DM  0;a;t a  2 2  .   Ta có:
  a 2t 3a2    2 2 2 2 6a 1 a 4t 12at 15a a 6 S  D  C ,DM    . MDC 2   4 4 4 2 a 6 3 Suy ra minS  khi t  a. MD  C 4 2 Chọn C.
Bài tập tự luyện dạng 2 Bài tập cơ bản  
Câu 1: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai vectơ a  2;1;2 và vectơ b  1;0;2. Tìm tọa   
độ vectơ c là tích có hướng của a và b     A. c  2;6;  1 . B. c  4;6;  1 . C. c  4; 6  ;  1 . D. c  2; 6  ;  1 .
Câu 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho bốn điểm A1; 2  ;0, B1;0;  1 , c 0; 1  ;2 và
D0;m;p. Hệ thức liên hệ giữa m và p để bốn điểm A, B, C, D đồng phẳng là A. m  p  3. B. 2m  3p  3. C. 2m  p  3. D. m  2p  3.
Câu 3: Trong không gian tọa độ Oxyz, cho hình bình hành ABCD với A1;0; 
1 , B 2;1;2, giao điểm hai  3 3 
đường chéo I  ;0; . Diện tích hình bình hành là  2 2  A. 2. B. 5. C. 6. D. 3.
Câu 4: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho bốn điểm A1;0;2, B 2  ;1;3, C 3;2;4,
D 6;9;5. Tọa độ trọng tâm của tứ diện ABCD là A. 2;3;  1 . B. 2;3;  1 . C. 2;3;  1 . D. 2;3;  1 .
Câu 5: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hình hộp ABCD. 
A BCD với A2;1;3,C 2;3;5, B '2;4;  1 , D '0;2; 
1 . Tìm tọa độ điểm B. A. B 1;3;3. B. B  1  ;3;3. C. C 1;3;3. D. B 1;3;3. Bài tập nâng cao
Câu 6: Trong không gian tọa độ Oxyz, cho A2;0;0, B0;2;0, C 0;0;2. Có tất cả bao nhiêu điểm M
trong không gian thỏa mãn M không trùng với các điểm A, B, C và  AMB   BMC   CMA  90? A. 0. B. 1. C. 2. D. 3. TOANMATH.com Trang 13
Dạng 3: Phương trình mặt cầu Phương pháp giải
Cách viết phương trình mặt cầu:
 Mặt cầu tâm Ia;b;c, bán kính R có phương trình
  2   2    2 2 x a y b z c  R .
Ví dụ: Phương trình mặt cầu tâm I 2; 1  ; 
1 , bán kính R = 3 là   2    2    2 x 2 y 1 z 1  9.  Xét phương trình: 2 2 2
x  y  z  2ax  2by  2cz  d  0. * Ta có     2   2   2 * x 2ax y 2by z  2cz  d
   2    2    2 2 2 2 x a y b z c  a  b  c  d.
Điều kiện để phương trình (*) là phương trình mặt cầu 2 2 2 a  b  c  d. taâm Ia;b;  c Khi đó (S) có  baùn kính R  2 a  2 b  2 c  d.
Đặc biệt mặt cầu S  2 2 2 2
: x  y  z  R thì (S) có taâmO0;0;0  baùn kính R. Ví dụ mẫu
Ví dụ 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu (S) có phương trình 2 2 2
x  y  z  2x  4y  6z  2  0. Xác định tọa độ tâm I của mặt cầu (S) là A. I 1;2;3. B. I 1; 2  ;  1 . C. I  1  ;2;3. D. I  1  ; 2;3. Hướng dẫn giải  2 4 6 
Tọa độ tâm của mặt cầu (S) là I  ; ;    1; 2  ;3.  2 2  2  Chọn A.
Ví dụ 2. Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho mặt cầu (S) có phương trình   2 2 2
S : x  y  z  2x  6y  6z  6  0. Tính diện tích mặt cầu (S) A. 100. B. 120. C. 9. D. 42 . Hướng dẫn giải
Mặt cầu (S) có tâm I1;3;3 , bán kính r  1 9  9  6  5.
Vậy diện tích mặt cầu là 2 2
4 r  4 .5  100 . TOANMATH.com Trang 14 Chọn A.
Ví dụ 3. Trong không gian Oxyz, cho điểm I1;2;3. Viết phương trình mặt cầu tâm I, cắt trục Ox tại
hai điểm A và B sao cho AB  2 3.
A.   2    2    2 x 1 y 2 z 3  16.
B.   2  (  )    2 2 x 1 y 2 z 3  20.
C.   2    2    2 x 1 y 2 z 3  25.
D.   2    2    2 x 1 y 2 z 3  9. Chú ý:
Tính khoảng cách từ điểm A đến đường thẳng : - Xác định điểm M  .    AM,u  
- Áp dụng công thức: d A,   . u Hướng dẫn giải
Gọi H là trung điểm AB  IH  AB tại H  IH  d  d I ;AB I;Ox   IM,i  
Lấy M 2;0;0Ox  IH  d    3. I,Ox i
Bán kính mặt cầu cần tìm là 2 2 R  IA  IH  HA  4.
Vậy phương trình mặt cầu cần tìm là   2    2    2 x 1 y 2 z 3  16. Chọn A.
Ví dụ 4. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu     2    2    2 S : x 1 y 2 z 1  9 và hai điểm A 4;3; 
1 , B3;1;3; M là điểm thay đổi trên (S). Gọi m, n lần lượt là giá trị lớn nhất, nhỏ nhất của biểu thức 2 2
P  2MA  MB . Giá trị (m  n) bằng A. 64. B. 60. C. 68. D. 48. Hướng dẫn giải
Mặt cầu (S) có tâm I1;2;  1 và bán kính R = 3. TOANMATH.com Trang 15   
Lấy điểm E sao cho 2AE  BE  0  E 5;5;  1 . Ta có IE  5.
Dễ thấy điểm E là điểm nằm ngoài mặt cầu (S).
  2   2 Khi đó 2 2          2 2 2 P 2MA MB 2 ME AE ME BE  ME  2AE  BE .
P lớn nhất và nhỏ nhất khi và chỉ khi ME lớn nhất và nhỏ nhất.
max ME  IE  R  8; min ME  IE  R  2. Do đó 2 2 2 2
m  max P  64  2AE  E
B ; n  min P  4  2AE  BE . Suy ra m  n  60. Chọn B.
Bài tập tự luyện dạng 3 Bài tập cơ bản
Câu 1: Trong không gian Oxyz, cho hai điểm I1; 2
 ;3,M0;1;5. Phương trình mặt cầu có tâm I và đi qua M là A. x  2 1  y  22 2  (z  3)  4 1 .
B.   2    2    2 x 1 y 2 z 3  14.
C.   2    2    2 x 1 y 2 z 3  14.
D.   2  (  )    2 2 x 1 y 2 z 3  14.
Câu 2: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz, cho điểm A 1;1;2, B3;2;3. Mặt cầu (S) có tâm I
thuộc Ox và đi qua hai điểm A, B có phương trình A. 2 2 2
x  y  z  8x  2  0. B. 2 2 2
x  y  z  8x  2  0. C. 2 2 2
x  y  z  4x  2  0. D. 2 2 2
x  y  z  8x  2  0. Câu 3: Trong không gian Oxyz, xét mặt cầu (S) có phương trình dạng 2 2 2
x  y  z  4x  2y  2az 10a  0. Tập hợp các giá trị thực của a để (S) có chu vi đường tròn lớn bằng 8 là A. 1;1  0 . B. 2; 1   0 . C.  1  ;1  1 . D. 1;1  1
Câu 4: Trong không gian Oxyz, cho hai điểm A 1;0;  1 , B 3  ;2; 
1 . Gọi (S) là mặt cầu có tâm I thuộc
mặt phẳng (Oxy), bán kính 11 và đi qua hai điểm A, B. Biết I có tung độ âm, phương trình mặt cầu (S) là A. 2 2 2
x  y  z  6y  2  0. B. 2 2 2
x  y  z  4y  7  0. C. 2 2 2
x  y  z  4y  7  0. D. 2 2 2
x  y  z  6y  2  0. Bài tập nâng cao
Câu 5: Trong không gian Oxyz, cho A  2
 ;0;0; B0;2;0; C0;0;2. D là điểm khác O sao cho DA,
DB, DC đôi một vuông góc. Gọi I(a;b;c) là tâm mặt cầu ngoại tiếp tứ diện ABCD. Giá trị của biểu thức S  a  b  c A. 4. B. 1. C. 2  . D. 3  . TOANMATH.com Trang 16 ĐÁP ÁN
Dạng 1. Tìm tọa độ điểm, vectơ liên quan đến hệ trục Oxyz 1 - D 2- B 3- B 4- B 5- A 6- C 7- C 8- C 9- B 10- A
Dạng 2. Tích có hướng và ứng dụng 1 - D 2- D 3- A 4- A 5 - D 6 -C
Dạng 3: Phương trình mặt cầu 1 - B 2- A 3 -C 4 -A 5 -B TOANMATH.com Trang 17