Giáo án Hình học lớp 12 bài 2: Phương trình mặt phẳng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:29

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo án "Hình học 12 bài 2: Phương trình mặt phẳng" được biên soạn nhằm giúp các em học sinh nắm được cách xác định mặt phẳng, vectơ pháp tuyến của mặt phẳng. Trình bày được công thức tính khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng, góc giữa hai mặt phẳng. Nhận biết được vị trí tương đối giữa đường thẳng với mặt phẳng, giữa mặt phẳng với mặt cầu. Mời quý thầy cô và các em cùng tham khảo giáo án tại đây.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo án Hình học lớp 12 bài 2: Phương trình mặt phẳng

BÀI 2. PHƯƠNG TRÌNH MẶT PHẲNG Mục tiêu  Kiến thức + Nắm được cách xác định mặt phẳng, vectơ pháp tuyến của mặt phẳng. + Nắm được công thức tính khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng, góc giữa hai mặt phẳng. + Nhận biết được vị trí tương đối giữa đường thẳng với mặt phẳng, giữa mặt phẳng với mặt cầu.  Kĩ năng + Viết được phương trình tổng quát của mặt phẳng. + Xác định được vectơ pháp tuyến trong các trường hợp. + Tính được khoảng cách và góc. + Xác định được vị trí tương đối và vận dụng vào giải bài tập. I. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM 1. Phương trình mặt phẳng Vectơ pháp tuyến    Vectơ n  0 là vectơ pháp tuyến của    nếu giá của n vuông góc với    . Cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng   Hai vectơ a, b không cùng phương là cặp vectơ chỉ phương của    nếu các giá của chúng song song hoặc nằm trên    . Chú ý:    Nếu n là một vectơ pháp tuyến của    thì k n  k  0  cũng là vectơ pháp tuyến của    .       Nếu a, b là một cặp vectơ chỉ phương của    thì n   a, b  là một vectơ pháp tuyến của    . Phương trình tổng quát của mặt phẳng Ax  By  Cz  D  0 với A2  B 2  C 2  0 .   Nếu ( ) có phương trình Ax  By  Cz  D  0 thì n  ( A; B; C ) là một vectơ pháp tuyến của ( ) .   Phương trình mặt phẳng đi qua M 0  x0 ; y0 ; z0  và có một vectơ pháp tuyến n  ( A; B; C ) là: A  x  x0   B  y  y0   C  z  z0   0 . Các trường hợp đặc biệt Các hệ số Phương trình mặt phẳng    Tính chất mặt phẳng    D  0. Ax  By  Cz  0    đi qua gốc tọa độ O A0 By  Cz  D  0    / / Ox hoặc     Ox TOANMATH.com Trang 1
B0 Ax  Cz  D  0    / /Oy hoặc     Oy C 0 Ax  By  D  0    / /Oz hoặc     Oz A B0 Cz  D  0    / /  Oxy  hoặc      Oxy  AC 0 By  D  0    / /  Oxz  hoặc      Oxz  BC 0 Ax  D  0    / /  Oyz  hoặc      Oyz  Nếu ( ) cắt các trục toạ độ tại các điểm (a;0;0), (0; b;0), (0;0; c) với abc  0 thì ta có phương trình mặt x y z phẳng theo đoạn chắn ( ) :    1. a b c Chú ý: Nếu trong phương trình ( ) không chứa ẩn nào thì ( ) song song hoặc chứa trục tương ứng. 2. Khoảng cách từ một điểm tới mặt phẳng Trong không gian Oxyz, cho điểm A  x A ; y A ; z A  và mặt phẳng ( ) : Ax  By  Cz  D  0 . Khi đó khoảng cách từ điểm A đến mặt phẳng ( ) được tính theo công thức: Ax A  By A  Cz A  D d( A, ( ))  A2  B 2  C 2 3. Vị trí tương đối Vị trí tương đối giữa hai mặt phẳng Trong không gian Oxyz, cho hai mặt phẳng ( ) : A1 x  B1 y  C1 z  D1  0; (  ) : A2 x  B2 y  C2 z  D2  0 A1 B1 C1 D1 +) ( )  (  )     . A2 B2 C2 D2 A1 B1 C1 D1 +) ( ) / /(  )     . A2 B2 C2 D2 A1 B1 B C +) ( )  (  )   hoặc 1  1 . A2 B2 B2 C2 +) ( )  (  )  A1 A2  B1 B2  C1C2  0 . Vị trí tương đối giữa mặt phẳng và mặt cầu Trong không gian Oxyz, cho mặt phẳng và mặt cầu TOANMATH.com Trang 2
( ) : Ax  By  Cz  D  0 ; ( S ) : ( x  a ) 2  ( y  b) 2  ( z  c ) 2  R 2 . Để xét vị trí của ( ) và ( S ) ta làm như sau: +) Nếu d  I ,     R thì ( ) không cắt ( S ) . +) Nếu d  I ,      R thì    tiếp xúc  S  tại H . Khi đó H được gọi là tiếp điểm đồng thời H là hình chiếu vuông góc của I lên    và    được gọi là tiếp diện. +) Nếu d  I ,      R thì    cắt  S  theo đường tròn có phương trình ( x  a ) 2  ( y  b) 2  z  c  2  R2 (C ) :   Ax  By  Cz  D  0. Bán kính của  C  là r  R 2  d 2 [ I , ( )] . Tâm J của (C) là hình chiếu vuông góc của I trên    . 4. Góc giữa hai mặt phẳng Trong không gian Oxyz, cho hai mặt phẳng ( ) : A1 x  B1 y  C1 z  D1  0 và (  ) : A2 x  B2 y  C2 z  D2  0 .   Góc giữa ( ) và (  ) bằng hoặc bù với góc giữa hai vectơ pháp tuyến n , n . Tức là     n n A1 A2  B1 B2  C1C2 cos    ,      cos n , n      . n  n A12  B12  C12  A22  B22  C22 Chùm mặt phẳng  Tập hợp tất cả các mặt phẳng qua giao tuyến của hai mặt phẳng ( ) và (  ) được gọi là một chùm mặt phẳng.  Gọi  d  là giao tuyến của hai mặt phẳng ( ) : A1 x  B1 y  C1 z  D1  0 (  ) : A2 x  B2 y  C2 z  D2  0 Khi đó nếu  P  là mặt phẳng chứa  d  thì mặt phẳng  P  có dạng m   A1 x  B1 y  C1 z  D1   n   A2 x  B2 y  C2 z  D2   0 với m 2  n 2  0 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG HÓA TOANMATH.com Trang 3
II. CÁC DẠNG BÀI TẬP Dạng 1: Xác định vectơ pháp tuyến và viết phương trình mặt phẳng Bài toán 1. Viết phương trình mặt phẳng biết một điểm thuộc mặt phẳng và tìm được một vectơ pháp tuyến Phương pháp giải  Mặt phẳng    đi qua điểm M  x0 ; y0 ; z0  có vectơ pháp tuyến n   A; B; C  là A  x  x0   B  y  y0   C  z  z0   0.  Ví dụ: Phương trình mặt phẳng đi qua điểm A 1; 2;3 và có vectơ pháp tuyến v  1; 2;1 là: 1 x  1  2  y  2   1 z  3  0  x  2 y  z  6  0. Ví dụ mẫu x y z Ví dụ 1: Trong không gian Oxyz, một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng    1 là 2 1 3     A. n   3; 6; 2  . B. n   2; 1;3 . C. n   3; 6; 2  . D. n   2; 1;3 . Hướng dẫn giải Ta có phương trình x y z 1 1   1 x  y  z  1  0  3x  6 y  2 z  6  0. 2 1 3 2 3  Một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng n   3;6; 2  . Chọn A. TOANMATH.com Trang 4
Ví dụ 2: Cho ba điểm A  2;1; 1 , B  1;0; 4  , C  0; 2; 1 . Phương trình mặt phẳng đi qua A và vuông góc với BC là A. x  2 y  5 z  5  0. B. 2 x  y  5 z  5  0. C. x  2 y  5  0. D. x  2 y  5 z  5  0. Hướng dẫn giải  Mặt phẳng  P  đi qua A  2;1; 1 và vuông góc với BC nên nhận BC  1; 2; 5  làm vectơ pháp tuyến. Vì vậy ta viết được phương trình mặt phẳng  P  là: x  2  2  y  1  5  z  1  0  x  2 y  5 z  5  0. Chọn A. Chú ý: Mặt phẳng    đi qua một điểm M , vuông góc với đường thẳng  d  , khi đó vectơ chỉ phương  u của đường thẳng  d  là một vectơ pháp tuyến của    . Ví dụ 3: Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz , cho hai điểm A 1; 3; 2  , B  3;5; 2  . Phương trình mặt phẳng trung trực của đoạn thẳng AB có dạng x  ay  bz  c  0. Khi đó a  b  c bằng A. 2. B. 4. C. 3. D. 2. Hướng dẫn giải   Gọi M là trung điểm của đoạn thẳng AB, ta có M (2;1; 0) và AB  (2;8; 4)  2(1; 4; 2)  2n .  Mặt phẳng trung trực của đoạn thẳng AB đi qua M và có một vectơ pháp tuyến là n nên có phương trình: x  4 y  2 z  6  0 Suy ra a  4, b  2, c  6 . Vậy a  b  c  4 . Chọn B. Ví dụ 4: Trong không gian Oxyz, mặt phẳng song song với mặt phẳng  Oxy  và đi qua điểm A(1;1;1) có phương trình là A. y  1  0 . B. x  y  z  1  0 . C. x  1  0 . D. z  1  0 . Hướng dẫn giải  Mặt phẳng song song với mặt phẳng (Oxy ) và đi qua A(1;1;1) nhận k  (0;0;1) làm vectơ pháp tuyến nên có phương trình là z  1  0 . Chọn D. Ví dụ 5: Cho mặt phẳng  Q  : x  y  2 z  2  0. Viết phương trình mặt phẳng ( P ) song song với mặt phẳng  Q  , đồng thời cắt các trục Ox, Oy lần lượt tại các điểm M , N sao cho MN  2 2 . A. ( P) : x  y  2 z  2  0 . B. ( P) : x  y  2 z  0 . C. ( P ) : x  y  2 z  2  0. D. ( P ) : x  y  2 z  2  0 . Hướng dẫn giải TOANMATH.com Trang 5
( P ) / /(Q) nên phương trình mặt phẳng ( P ) có dạng x  y  2 z  D  0 ( D  2). Khi đó mặt phẳng ( P) cắt các trục Ox, Oy lần lượt tại các điểm M ( D; 0;0) , N (0; D; 0) . Từ giả thiết: MN  2 2  2 D 2  2 2  D  2 (do D  2). Vậy phương trình mặt phẳng ( P ) : x  y  2 z  2  0 . Chọn A. Chú ý: Mặt phẳng    đi qua điểm M  x0 ; y0 ; z0  và song song với mặt phẳng (  ) : Ax  By  Cz  D  0 thì    có phương trình là A  x  x0   B  y  y0   C  z  z0   0 Ví dụ 6: Cho điểm M (1; 2;5). Mặt phẳng ( P ) đi qua điểm M cắt trục tọa độ Ox, Oy , Oz tại A, B, C sao cho M là trực tâm tam giác ABC . Phương trình mặt phẳng ( P ) là x y z x y z A. x  y  z  8  0 . B. x  2 y  5 z  30  0 . C.    0. D.   1. 5 2 1 5 2 1 Hướng dẫn giải OA  BC  Ta có OA  (OBC )    BC  (OAM )  BC  OM (1) AM  BC  Tương tự AB  OM (2) . Từ (1) và (2) suy ra OM  ( ABC ) hay OM  ( P ) .  Suy ra OM  (1; 2;5) là vectơ pháp tuyến của ( P) . Vậy phương trình mặt phẳng  P  là x  1  2  y  2   5  z  5   0  x  2 y  5 z  30  0. Chọn B. Ví dụ 7: Cho tứ diện ABCD có đỉnh A(8; 14; 10); AD, AB, AC lần lượt song song với Ox, Oy, Oz. Phương trình mặt phẳng  BCD  đi qua H (7; 16; 15) là trực tâm BCD có phương trình là A. x  2 y  5 z  100  0 . B. x  2 y  5 z  100  0 . x y z x y z C.    0. D.    1. 7 16 15 7 16 15 Hướng dẫn giải  Theo đề ra, ta có ( BCD ) đi qua H (7; 16; 15), nhận HA  (1; 2;5) là vectơ pháp tuyến. Phương trình mặt phẳng  BCD  là ( x  7)  2( y  16)  5( z  15)  0  x  2 y  5 z  100  0. Vậy ( BCD ) : x  2 y  5 z  100  0 . Chọn B. TOANMATH.com Trang 6
Bài toán 2. Viết phương trình mặt phẳng biết một điểm thuộc mặt phẳng và tìm được một cặp vectơ chỉ phương Phương pháp giải   Mặt phẳng ( ) đi qua điểm M  x0 ; y0 ; z0  có cặp vectơ chỉ phương a , b . Khi đó một vectơ pháp tuyến    của ( ) là n  [a , b ].   Ví dụ: Mặt phẳng ( P) đi qua điểm M (0; 2; 2) và nhận vectơ a (2, 0,1), b (1,1, 0) là hai vectơ chỉ phương. Suy ra  P  có vectơ pháp tuyến là:    n  [a , b ]  (1;1; 2) . Từ đó ta có ( P ) : x  y  2 z  6  0 . Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Cho hai điểm A(1; 1;5), B(0;0;1) . Mặt phẳng ( P) chứa A, B và song song với trục Oy có phương trình là A. 4 x  z  1  0 . B. 4 x  y  z  1  0 . C. 2 x  z  5  0 . D. x  4 z  1  0 . Hướng dẫn giải Do mặt phẳng ( P ) chứa A, B và song song với trục Oy nên vectơ pháp tuyến của ( P) là    n  [ AB; j ]  (4;0; 1) . Phương trình mặt phẳng ( P) là: 4( x  0)  0( y  0)  1( z  1)  0  4 x  z  1  0 Chọn A. Ví dụ 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho hai điểm A 1; 2; 1 ; B  2;1;0  và mặt phẳng ( P) : 2 x  y  3 z  1  0. Gọi (Q) là mặt phẳng chứa A; B và vuông góc với ( P). Phương trình mặt phẳng (Q) là A. 2 x  5 y  3 z  9  0 . B. 2 x  y  3z  7  0 . C. 2 x  y  z  5  0 . D. x  2 y  z  6  0 . Hướng dẫn giải Phương trình mặt phẳng  Q  chứa AB và vuông góc với mặt phẳng ( P ) nên có cặp vectơ chỉ phương   là AB  (1; 1;1) và nP  (2;1; 3) .    Suy ra nQ  [ AB; nP ]  (2;5;3) . Mặt phẳng (Q) đi qua A(1; 2; 1) nên 2( x  1)  5( y  2)  3( z  1)  0  2 x  5 y  3z  9  0 Chọn A. Chú ý: Mặt phẳng ( ) chứa một đường thẳng  d  và vuông góc với một mặt phẳng    :   +) Xác định vectơ chỉ phương u của ( d ) và vectơ pháp tuyến n của    . TOANMATH.com Trang 7
   Một vectơ pháp tuyến của ( ) là: n  u , n  . +) Lấy một điểm M thuộc d thì M  ( ) . Ví dụ 3: Mặt phẳng ( ) đi qua gốc tọa độ O và vuông góc với hai mặt phẳng ( P ) : x  y  z  7  0, (Q) : 3 x  2 y  12 z  5  0 có phương trình là A. 2 x  3 y  z  0 . B. 10 x  15 y  5 z  2  0 . C. 10 x  15 y  5 z  2  0 . D. 2 x  3 y  z  0 . Hướng dẫn giải  Ta có ( P) : x  y  z  7  0 có vectơ pháp tuyến là n1  (1; 1;1) và  (Q) : 3 x  2 y  12 z  5  0 có vectơ pháp tuyến là n2  (3; 2; 12) Do ( )  ( P) và ( )  (Q ) nên ( ) có vectơ pháp tuyến là    n  [n1 ; n2 ]  (10;15;5) . Vậy ( ) có phương trình 10 x  15 y  5 z  0  2 x  3 y  z  0 . Chọn D. Chú ý: Mặt phẳng    đi qua điểm M và vuông góc với hai mặt phẳng cắt nhau    ,    : Chọn vectơ pháp tuyến của    là:    n   n , n  . Ví dụ 4: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho ba điểm A(0;1; 2), B (2; 2;1) , C (2;1; 0). Khi đó, phương trình mặt phẳng ( ABC ) là ax  y  z  d  0. Hãy xác định a và d . A. a  1, d  1 . B. a  6, d  6 . C. a  1, d  6 . D. a  6, d  6 . Hướng dẫn giải   Ta có: AB   2; 3; 1 ; AC   2; 0; 2  .    3 1 1 2 2 3   AB; AC      ; ;    6; 6; 6  .  0 2 2 2 2 0   1   Chọn n   AB; AC   1;1; 1 là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng  ABC  . 6 Ta có phương trình mặt phẳng  ABC  là: x  y  1  z  2  0  x  y  z  1  0. Vậy a  1, d  1. Chọn A. Chú ý: Mặt phẳng    đi qua ba điểm không thẳng hàng A, B, C. Khi đó ta có thể xác định một vectơ pháp tuyến của    là:    n   AB, AC  . TOANMATH.com Trang 8
Ví dụ 5: Trong không gian Oxyz , biết mặt phẳng ax  by  cz  5  0 qua hai điểm A(3;1; 1), B(2; 1; 4) và vuông góc với ( P) : 2 x  y  3 z  4  0 . Giá trị của a  b  c bằng A. 9. B. 12. C. 10. D. 8. Hướng dẫn giải   Gọi ( ) : ax  by  cz  5  0. Ta có AB  (1; 2;5), nP  (2; 1;3) .    Mặt phẳng ( ) nhận n  [ AB, nP ]  (1;13;5) làm vectơ pháp tuyến nên ( ) có dạng  x  13 y  5 z  D  0 . Mặt phẳng ( ) qua A(3;1; 1) nên 3  13.1  5.( 1)  D  0  D  5 .  ( ) :  x  13 y  5 z  5  0 hay ( ) : x  13 y  5 z  5  0 . Suy ra a  1; b  13; c  5 . Vậy a  b  c  9 . Chọn A. Bài toán 3. Lập phương trình mặt phẳng liên quan đến khoảng cách Phương pháp giải Sử dụng các công thức liên quan đến khoảng cách: Khoảng cách từ điểm M  x0 , y0 , z0  đến mặt phẳng ( ) : ax  by  cz  d  0 là ax0  by0  cz0  d d( M , ( ))  . a 2  b2  c2 Chú ý: Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song: d [( ), (  )]  d[ M , (  )] trong đó điểm M  ( ) . Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , lập phương trình của các mặt phẳng song song với mặt phẳng (  ) : x  y  z  3  0 và cách (  ) một khoảng bằng 3. A. x  y  z  6  0; x  y  z  0 . B. x  y  z  6  0 . C. x  y  z  6  0; x  y  z  0 . D. x  y  z  6  0; x  y  z  0 . Hướng dẫn giải Gọi ( ) là mặt phẳng cần tìm. Ta có A(0; 0;3)  (  ) . Do ( ) / /(  ) nên phương trình của mặt phẳng ( ) có dạng: x  y  z  m  0 với m  3 . | m 3| Ta có d(( ), (  ))  3  d( A, ( ))  3   3. 3 m  6 | m  3 | 3   (thỏa mãn). m  0 Vậy phương trình của các mặt phẳng cần tìm là TOANMATH.com Trang 9
x  y  z  6  0 và x  y  z  0 . Chọn A. Ví dụ 2: Trong không gian Oxyz , cho hai mặt phẳng ( P ) : x  3z  2  0, (Q ) : x  3 z  4  0 . Mặt phẳng song song và cách đều ( P ) và (Q) có phương trình là: A. x  3 z  1  0 . B. x  3 z  2  0 . C. x  3 z  6  0 . D. x  3 z  6  0 . Hướng dẫn giải Điểm M ( x; y; z ) bất kỳ cách đều ( P ) và (Q)  d ( M ;( P ))  d ( M ; (Q )) | x  3z  2 | | x  3z  4 |  x  3z  2  x  3z  4    1 9 1 9  x  3z  2   x  3z  4  2  4   x  3 z  1  0.  x  3z  1  0 Vậy M thuộc ( ) : x  3z  1  0. Nhận thấy ( ) song song với ( P ) và (Q) . Chọn A. Ví dụ 3: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho hai điểm A 1; 2;1 , B  3; 4; 0  và mặt phẳng ( P ) : ax  by  cz  46  0 . Biết rằng khoảng cách từ A, B đến mặt phẳng ( P ) lần lượt bằng 6 và 3. Giá trị của biểu thức T  a  b  c bằng A. 3. B. 6. C. 3. D. 6. Hướng dẫn giải Gọi H , K lần lượt là hình chiếu của A, B trên mặt phẳng ( P ) . Theo giả thiết, ta có: AB  3, AH  6, BK  3 . Do đó A, B ở cùng phía với mặt phẳng ( P ) . Lại có: AB  BK  AK  AH . Mà AB  BK  AH nên H  K . Suy ra A, B, H là ba điểm thẳng hàng và B là trung điểm của AH nên tọa độ H (5; 6; 1) .  Vậy mặt phẳng ( P) đi qua H (5;6; 1) và nhận AB  (2; 2; 1) là vectơ pháp tuyến nên có phương trình là 2( x  5)  2( y  6)  1( z  1)  0  2 x  2 y  z  23  0 Theo bài ra, ta có ( P ) : 4 x  4 y  2 z  46  0 nên a  4, b  4, c  2 . Vậy T  a  b  c  6 . Chọn B. Bài toán 4. Viết phương trình mặt phẳng liên quan đến mặt cầu Phương pháp giải Viết phương trình mặt phẳng    tiếp xúc với mặt cầu (S) tại điểm H . Giả sử mặt cầu  S  có tâm I và bán kính R, khi đó ta viết được phương trình mặt phẳng ( ) đi qua H   và có một vectơ pháp tuyến là n  IH . Ví dụ: Trong không gian với hệ trục Oxyz , cho mặt cầu ( S ) : ( x  1) 2  y 2  ( z  2)2  9 . TOANMATH.com Trang 10
Gọi ( ) là mặt phẳng tiếp xúc với mặt cầu tại điểm A(1;3; 2) và I (1; 0; 2) là tâm của mặt cầu ( S ). Mặt  phẳng ( ) nhận IA  (0;3;0) làm vectơ pháp tuyến. Mặt khác, mặt phẳng ( ) đi qua điểm A(1;3; 2) nên có phương trình tổng quát là y  3  0 . Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho mặt cầu  S  có phương trình ( x  1)2  ( y  2) 2  ( z  3)2  12 và mặt phẳng ( P ) : 2 x  2 y  z  3  0. Viết phương trình mặt phẳng song song với ( P ) và cắt ( S ) theo thiết diện là đường tròn (C ) sao cho khối nón có đỉnh là tâm mặt cầu và đáy là hình tròn (C) có thể tích lớn nhất. A. 2 x  2 y  z  2  0 hoặc 2 x  2 y  z  8  0 . B. 2 x  2 y  z  1  0 hoặc 2 x  2 y  z  11  0 . C. 2 x  2 y  z  6  0 hoặc 2 x  2 y  z  3  0 . D. 2 x  2 y  z  2  0 hoặc 2 x  2 y  z  2  0 . Hướng dẫn giải Ta có ( ) / /( P ) nên ( ) : 2 x  2 y  z  d  0 (d  3). Mặt cầu  S  có tâm I (1; 2;3), bán kính R  2 3 . Gọi  H  là khối nón thỏa mãn đề bài với đường sinh IM  R  2 3. Đặt x  h  d ( I , ( )). Khi đó bán kính đường tròn đáy hình nón là r  12  x 2 . 1   Thể tích khối nón là V( H )   12  x 2 x với 0  x  2 3 . 3 1   Xét hàm số: f ( x)   12  x 2 x với 0  x  2 3 . 3 Khi đó f ( x ) đạt giá trị lớn nhất tại x  2 hay d ( I , ( ))  2 . | 2.1  2  (2)  3  d | d  5  6  d  11 Ta có d ( I ,( ))  2  2  . 2  2  (1)  d  5  6  d  1 2 2 2 Chọn B. Chú ý: Công thức tính thể tích hình nón: TOANMATH.com Trang 11
1 1 V  hS  .2 R.h 3 3 Trong đó R là bán kính đáy, h là chiều cao. Ví dụ 2: Trong không gian Oxyz, cho mặt cầu (S): x 2  y 2  ( z  1) 2  4 và điểm A(2; 2; 2). Từ A kẻ ba tiếp tuyến AB, AC , AD với mặt cầu ( B, C , D là các tiếp điểm). Phương trình mặt phẳng  BCD  là A. 2 x  2 y  z  1  0 . B. 2 x  2 y  z  3  0 . C. 2 x  2 y  z  1  0 . D. 2 x  2 y  z  5  0 . Hướng dẫn giải Ta có mặt cầu  S  có tâm I (0;0;1) và bán kính R  2 . Do AB, AC , AD là ba tiếp tuyến của mặt cầu ( S ) với B, C , D là các tiếp điểm nên  AB  AC  AD   IA là trục của đường tròn ngoại tiếp BCD.  IB  IC  ID  R  IA  ( BCD ) .   Khi đó mặt phẳng  BCD  có một vectơ pháp tuyến n  IA  (2; 2;1) . Gọi J là tâm của đường tròn ngoại tiếp BCD  J  IA và IJ  BJ . Ta có IBA vuông tại B và BJ  IA nên IB 2 4  4  IB 2  IJ .IA  IJ    IJ  IA . IA 3 9   Đặt J ( x; y; z ). Ta có IJ  ( x; y; z  1); IA  (2; 2;1) .  4   8 8 13  Từ IJ  IA suy ra J  ; ;  . 9 9 9 9   8 8 13   Mặt phẳng ( BCD ) đi qua J  ; ;  và nhận vectơ pháp tuyến n  (2; 2;1) có phương trình: 9 9 9   8  8   13  2  x    2  y     z    0  2x  2 y  z  5  0 .  9  9  9 Chọn D. Ví dụ 3: Trong không gian Oxyz , cho mặt cầu  S  : ( x  1)2  ( y  1) 2  ( z  1) 2  12 và mặt phẳng ( P ) : x  2 y  2 z  11  0. Xét điểm M di động trên ( P ) và các điểm A, B, C phân biệt di động trên  S  sao cho AM , BM , CM là các tiếp tuyến của  S  . Mặt phẳng  ABC  luôn đi qua điểm cố định nào dưới đây? 1 1 1 3  A.  ;  ;   . B. (0; 1;3) . C.  ; 0; 2  . D.  0;3; 1 . 4 2 2 2  Hướng dẫn giải Mặt cầu  S  có tâm I (1;1;1) và bán kính R  2 3 . TOANMATH.com Trang 12
Xét điểm M ( a; b; c )  ( P); A( x; y; z )  ( S ) nên ta có hệ điều kiện: ( x  1) 2  ( y  1) 2  ( z  1) 2  12  2  AI  AM  IM 2 2 a  2b  2c  11  0  ( x  1) 2  ( y  1) 2  ( z  1) 2  12 (1)   12  ( x  a ) 2  ( y  b) 2  ( z  c)2  ( a  1)2  (b  1) 2  (c  1) 2 (2) a  2b  2c  11  0 (3)  Lấy (1)  (2) ta có: ( x  1) 2  ( y  1) 2  ( z  1)2  12  ( x  a )2  ( y  b) 2  ( z  c )2   12  ( a  1) 2  (b  1)2  (c  1) 2   ( a  1) x  (b  1) y  (c  1) z  a  b  c  9  0 Vậy mặt phẳng đi qua ba tiếp điểm là: (Q) : (a  1) x  (b  1) y  (c  1) z  a  b  c  9  0 Kết hợp với (3) suy ra mặt phẳng này luôn đi qua điểm cố định (0;3;-1). Chọn D. Bài toán 5. Phương trình mặt phẳng đoạn chắn Phương pháp giải Phương trình mặt phẳng ( ) đi qua ba điểm A(a; 0;0), B(0; b;0) và C (0;0; c) với abc  0 là: x y z    1. a b c Ví dụ: Phương trình mặt phẳng ( ) đi qua ba điểm A(1;0; 0), B(0; 2;0) và C (0;0;3) là: x y z    1. 1 2 3 Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Trong không gian Oxyz , cho điểm M (1; 2;3) . Gọi A, B, C lần lượt là hình chiếu vuông góc của điểm M lên các trục Ox, Oy , Oz. Phương trình mặt phẳng ( ABC ) là x y z x y z x y z x y z A.    1. B.   1. C.    0. D.     1 . 1 2 3 1 2 3 1 2 3 1 2 3 Hướng dẫn giải Ta có A(1; 0; 0), B (0; 2;0), C (0;0;3) lần lượt là hình chiếu của M lên Ox, Oy , Oz. Phương trình mặt x y z phẳng ( ABC ) có dạng    1. 1 2 3 Chọn A. Ví dụ 2: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz , cho hai điểm M (3;0; 0), N (2; 2; 2) . Mặt phẳng ( P ) thay đổi qua M , N cắt các trục Oy, Oz lần lượt tại B (0; b;0), C (0; 0; c) với b, c  0. Hệ thức nào dưới đây là đúng? TOANMATH.com Trang 13
1 1 1 A. b  c  6 . B. bc  3(b  c ) . C. bc  b  c . D.   . b c 6 Hướng dẫn giải Mặt phẳng ( P ) đi qua M (3;0; 0), B (0; b; 0), C (0;0; c ) với b, c  0 nên phương trình mặt phẳng ( P ) x y z theo đoạn chắn là:   1 3 b c 2 2 2 1 1 1 Mặt phẳng ( P ) đi qua N (2; 2; 2) suy ra   1   . 3 b c b c 6 Chọn D. Ví dụ 3: Trong không gian Oxyz, cho điểm G 1; 4;3 . Phương trình mặt phẳng cắt các trục tọa độ Ox, Oy , Oz lần lượt tại A, B, C sao cho G là trọng tâm tứ diện OABC là x y z x y z A.   1. B.    1. 3 12 9 4 16 12 C. 3 x  12 y  9 z  78  0 . D. 4 x  16 y  12 z  104  0 . Hướng dẫn giải Giả sử A(a, 0, 0); B (0, b, 0); C (0; 0; c ) .  x A  xB  xC  xD  xG  4   y  yB  yC  yD G (1; 4;3) là trọng tâm tứ diện OABC   yG  A  4  z A  z B  zC  z D  xG  4  0  a  0  0  4.1  a  4    0  0  b  0  4.4  b  16 . 0  0  0  c  4.3   c  12 x y z Ta có phương trình mặt phẳng ( ABC ) là:    1. 4 16 12 Chọn B. Ví dụ 4: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz. Viết phương trình mặt phẳng  P  đi qua điểm M (1; 2;3) và cắt các trục Ox, Oy , Oz lần lượt tại ba điểm A, B, C khác với gốc tọa độ O sao cho biểu thức 1 1 1   có giá trị nhỏ nhất. OA OB OC 2 2 2 A. ( P ) : x  2 y  z  14  0 . B. ( P ) : x  2 y  3 z  14  0 . C. ( P) : x  2 y  3 z  11  0 . D. ( P) : x  y  3 z  14  0 . Hướng dẫn giải Gọi H là trực tâm ABC .  BH  AC Ta có   AC  (OBH )  AC  OH 1 . OB  AC TOANMATH.com Trang 14
Chứng minh tương tự, ta có: BC  OH  2 . Từ (1), (2) ta có OH  ( ABC ) . 1 1 1 1 Suy ra 2  2  2  . OA OB OC OH 2 1 1 1 Vậy để biểu thức   đạt giá trị nhỏ nhất thì OH đạt giá trị lớn nhất. Mà OH  OM OA OB OC 2 2 2 nên OH đạt giá lớn nhất bằng OM hay H  M .  Khi đó OM  ( ABC ) nên ( P ) có một vectơ pháp tuyến là OM  (1; 2;3) . Phương trình mặt phẳng ( P ) là 1( x  1)  2( y  2)  3( z  3)  0  x  2 y  3 z  14  0 . Chọn B. Ví dụ 5: Trong không gian Oxyz , có bao nhiêu mặt phẳng qua điểm M  4; 4;1 và chắn trên ba trục tọa 1 độ Ox, Oy , Oz theo ba đoạn thẳng có độ dài theo thứ tự lập thành cấp số nhân có công bội bằng ? 2 A. 1. B. 2. C. 3. D. 4. Hướng dẫn giải Gọi A(a; 0;0), B (0; b; 0), C (0;0; c ) với abc  0 là giao điểm của mặt phẳng ( P ) và các trục toạ độ. Khi x y z đó ( P ) có phương trình là    1. a b c Theo giả thiết ta có:  4 4 1  M  ( P)   1  a  8, b  4, c  2  a b c  1 1    a  8, b  4, c  2 OC  2 OB  4 OA | c | 1 | b | 1 | a |  a  16, b  8, c  4   2 4 Vậy có ba mặt phẳng thỏa mãn. Chọn C. Ví dụ 6: Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz , cho các điểm A 1; 0; 0  , B  0;1;0  . Mặt phẳng x  ay  bz  c  0 đi qua các điểm A, B đồng thời cắt tia Oz tại C sao cho tứ diện OABC có thể tích 1 bằng . Giá trị của a  3b  2c là 6 A. 16. B. 1. C. 10. D. 6. Hướng dẫn giải Mặt phẳng đi qua các điểm A, B đồng thời cắt tia Oz tại C  0;0; t  với t  0 có phương trình là x y z    1. 1 1 t 1 1 1 Mặt khác: VOABC   . OA.OB.OC   t  1 . 6 6 6 x y z Vậy phương trình mặt phẳng cần tìm có dạng    1  x  y  z 1  0 . 1 1 1 TOANMATH.com Trang 15
Vậy a  b  1, c  1 . Suy ra a  3b  2c  1  3.1  2  6 . Chọn D. Bài tập tự luyện dạng 1 Câu 1: Trong không gian Oxyz , cho mặt phẳng  P  có phương trình x  y  2 z  3  0 . Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng  P  là     A. n   1;1; 2  . B. n  (1;1; 2) . C. n  (1; 2; 3) . D. n  (1; 2; 3) . Câu 2: Cho ba điểm A(2;1; 1), B(1; 0; 4), C (0; 2; 1). Phương trình mặt phẳng đi qua A và vuông góc với BC là A. x  2 y  5 z  5  0 . B. 2 x  y  5 z  5  0 . C. x  2 y  5  0 . D. x  2 y  5 z  5  0 . Câu 3: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho điểm M  3; 2;1 . Mặt phẳng  P  đi qua M và cắt các trục tọa độ Ox, Oy , Oz lần lượt tại các điểm A, B, C không trùng với gốc tọa độ sao cho M là trực tâm tam giác ABC . Trong các mặt phẳng sau, mặt phẳng song song với mặt phẳng  P  là A. 3 x  2 y  z  14  0 . B. 2 x  y  z  9  0 . C. 3 x  2 y  z  14  0 . D. 2 x  y  3 z  9  0 . Câu 4: Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz , cho mặt phẳng ( P ) : x  2 y  2 z  5  0 và hai điểm A(3;0;1), B(0; 1;3). Phương trình mặt phẳng (Q) đi qua A và song song với mặt phẳng ( P ) là A. x  2 y  2 z  1  0 . B. x  2 y  2 z  1  0 . C. x  2 y  2 z  1  0 . D. x  2 y  2 z  1  0 . Câu 5: Trong không gian Oxyz , cho A(0;1;1), B(1; 0; 0) và mặt phẳng ( P ) : x  y  z  3  0. (Q ) là mặt phẳng song song với ( P ) đồng thời đường thẳng AB cắt (Q) tại C sao cho CA  2CB . Mặt phẳng  Q  có phương trình là: 4 A. x  y  z   0 hoặc x  y  z  0 . B. x  y  z  0 . 3 4 C. x  y  z   0. D. x  y  z  2  0 hoặc x  y  z  0 . 3 Câu 6: Trong không gian Oxyz , phương trình mặt phẳng P song song và cách mặt phẳng (Q) : x  2 y  2 z  3  0 một khoảng bằng 1 đồng thời ( P ) không đi qua O là A. x  2 y  2 z  1  0 . B. x  2 y  2 z  0 . C. x  2 y  2 z  6  0 . D. x  2 y  2 z  3  0 . Câu 7: Trong không gian Oxyz , cho A(2; 0;0), B (0; 4; 0), C (0; 0; 6), D(2; 4; 6). Gọi ( P ) là mặt phẳng song song với ( ABC ) , cách đều D và mặt phẳng ( ABC ) . Phương trình của ( P ) là A. 6 x  3 y  2 z  24  0 . B. 6 x  3 y  2 z  12  0 . C. 6 x  3 y  2 z  0 . D. 6 x  3 y  2 z  36  0 . TOANMATH.com Trang 16
Câu 8: Trong không gian Oxyz, cho ba điểm A  3; 2;3 , B  2;1; 2  , C  4;1; 6  . Phương trình mặt phẳng ( ABC ) là A. 2 x  y  z  1  0 . B. x  y  z  2  0 . C. x  y  2 z  7  0 . D. x  y  z  2  0 . Câu 9: Trong không gian Oxyz , cho điểm M 1; 2;3 . Viết phương trình mặt phẳng  P  đi qua M cắt các trục Ox, Oy, Oz lần lượt tại A, B, C sao cho M là trọng tâm tam giác ABC. A. ( P ) : 6 x  3 y  2 z  18  0 . B. ( P ) : 6 x  3 y  2 z  6  0 . C. ( P ) : 6 x  3 y  2 z  18  0 . D. ( P ) : 6 x  3 y  2 z  6  0 . Câu 10: Trong không gian Oxyz, cho điểm M 1; 3; 2  . Hỏi có bao nhiêu mặt phẳng đi qua M và cắt các trục toạ độ tại A, B, C mà OA  OB  OC  0? A. 3. B. 1. C. 4. D. 2. Câu 11: Trong không gian Oxyz , cho mặt cầu ( S ) : x 2  y 2  z 2  2 x  4 y  6 z  2  0. Viết phương trình mặt phẳng ( ) chứa Oy cắt mặt cầu ( S ) theo thiết diện là đường tròn có chu vi bằng 8. A. ( ) : 3 x  z  0 . B. ( ) : 3 x  z  0 . C. ( ) : x  3 z  0 . D. ( ) : 3 x  z  2  0 . Bài tập nâng cao Câu 12: Cho điểm M   4; 7; 5  , N  3; 9; 10  và các đường thẳng d1 , d 2 , d3 cùng đi qua điểm N và lần lượt song song với Ox, Oy, Oz. Mặt phẳng  P  đi qua M  cắt d1 , d 2 , d3 lần lượt tại A, B, C  sao cho M  là trực tâm ABC . Phương trình mặt phẳng  P  là A. x  2 y  5 z  35  0 . B. x  2 y  5 z  35  0 . x y z x y z C.    0. D.    1. 4 7 5 4 7 5 Câu 13: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho các điểm A 1; 0; 0  , B  0; 2;0  , C  0; 0;1 . Xét ba mặt cầu tiếp xúc ngoài đôi một với nhau và tiếp xúc với mặt phẳng  ABC  lần lượt tại A, B, C. Tổng diện tích của ba mặt cầu trên là: 33 31 A. . B. 36 . C. . D. 54 . 2 2 Câu 14: Trong không gian tọa độ Oxyz , cho mặt phẳng ( P ) : x  y  2 z  1  0 , các điểm A(0;1;1), B(1; 0; 0) với A và B nằm trên mặt phẳng ( P ) và mặt cầu ( S ) : ( x  2) 2  ( y  1)2  ( z  2) 2  4. CD là một đường kính thay đổi của ( S ) sao cho CD / /( P ) và bốn điểm A, B, C , D tạo thành một tứ diện. Giá trị lớn nhất của thể tích tứ diện ABCD bằng A. 2 2 . B. 2 3 . C. 2 5 . D. 2 6 . Dạng 2. Vị trí tương đối giữa hai mặt phẳng, giữa mặt cầu và mặt phẳng Bài toán 1. Vị trí tương đối giữa hai mặt phẳng Phương pháp giải Cho hai mặt phẳng: ( P ) : Ax  By  Cz  D  0 ; TOANMATH.com Trang 17
 P  : Ax  By  C z  D  0 . Khi đó:  ( P) cắt  P   A : B : C  A : B : C . A B C D  ( P) / /  P      . A B C  D A B C D  ( P )   P      . A B C  D      ( P)   P   n( P )  n P  n( P ) n P  0 .  AA  BB  CC   0. Chú ý:  Nếu A  0 thì tương ứng A  0 .  Nếu B  0 thì tương ứng B  0 .  Nếu C  0 thì tương ứng C   0 . Ví dụ: Trong không gian với hệ trục toạ độ Oxyz , cho hai mặt phẳng ( ) : x  2 y  z  1  0 và (  ) : 2 x  4 y  mz  2  0 . Tìm m để    và    song song với nhau. Hướng dẫn giải 1 2 1 1 Ta có ( ) / /(  )     2 4 m 2 2 4 2 (vô lý vì   ). 1 2 1 Vậy không tồn tại m để hai mặt phẳng    ,    song song với nhau. Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Trong không gian Oxyz, mặt phẳng ( P) : 2 x  y  z  2  0 vuông góc với mặt phẳng nào dưới đây? A. 2 x  y  z  2  0 . B. x  y  z  2  0 . C. x  y  z  2  0 . D. 2 x  y  z  2  0 . Hướng dẫn giải  Mặt phẳng ( P ) có một vectơ pháp tuyến là nP  (2;1;1) .  Mặt phẳng (Q) : x  y  z  2  0 có một vectơ pháp tuyến nQ  (1; 1; 1) .     Mà nP  nQ  2  1  1  0  nP  nQ  ( P )  (Q) . Vậy mặt phẳng x  y  z  2  0 là mặt phẳng cần tìm. Chọn B. Ví dụ 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho mặt phẳng  P  có phương trình mx  ( m  1) y  z  10  0 và mặt phẳng (Q) : 2 x  y  2 z  3  0 . Với giá trị nào của m thì ( P ) và (Q) vuông góc với nhau? TOANMATH.com Trang 18
A. m  2 . B. m  2 . C. m  1 . D. m  1 . Hướng dẫn giải  ( P ) : mx  (m  1) y  z  10  0 có vectơ pháp tuyến n1  (m; m  1;1) .  (Q) : 2 x  y  2 z  3  0 có vectơ pháp tuyến n2  (2;1; 2) .   ( P)  (Q )  n1  n2  0  2m  m  1  2  0  m  1 . Chọn C. Bài toán 2. Vị trí tương đối giữa mặt cầu và mặt phẳng Phương pháp giải Cho mặt phẳng ( ) : Ax  By  Cz  D  0 và mặt cầu tâm I ; bán kính R.  ( ) và ( S ) không có điểm chung  d ( I , ( ))  R .  ( ) tiếp xúc với ( S )  d ( I , ( ))  R. Khi đó ( ) là tiếp diện.  ( ) và ( S ) cắt nhau  d ( I ; ( ))  R . Khi đó  O  có tâm là hình chiếu của I trên    và bán kính r  R 2  d 2 ( I ; ( )) . Ví dụ mẫu Ví dụ 1: Trong không gian Oxyz , cho mặt cầu ( S ) : x 2  y 2  z 2  6 x  4 y  12  0 . Mặt phẳng nào cắt  S  theo một đường tròn có bán kính r  3? A. 4 x  3 y  z  4 26  0 . B. 2 x  2 y  z  12  0 . C. 3 x  4 y  5 z  17  20 2  0 . D. x  y  z  3  0 . Hướng dẫn giải Phương trình mặt cầu  S  là x 2  y 2  z 2  6 x  4 y  12  0. Suy ra tâm I  3; 2; 0  và bán kính R  5 . Ta gọi khoảng cách từ tâm I của mặt cầu tới các mặt phẳng ở các đáp án là h, khi đó để mặt phẳng cắt mặt cầu  S  theo một đường tròn có bán kính r  3 thì h  R 2  r 2  25  9  4 . |18  4 26 | Đáp án A loại vì h   4. 26 14 Đáp án B loại vì h   4. 3 Chọn đáp án C vì h  4 . 1 3 Đáp án D loại vì h   4. 3 Chọn C. Ví dụ 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho điểm I 1; 2; 2  và mặt phẳng TOANMATH.com Trang 19
( P ) : 2 x  2 y  z  5  0. Phương trình mặt cầu tâm I cắt mặt phẳng ( P ) theo giao tuyến là một đường tròn có diện tích bằng 16 là A. ( x  2)2  ( y  2) 2  ( z  1) 2  36 . B. ( x  1) 2  ( y  2) 2  ( z  2) 2  9 . C. ( x  1) 2  ( y  2) 2  ( z  2) 2  25 . D. ( x  1) 2  ( y  2)2  ( z  2) 2  16 . Hướng dẫn giải | 2.1  2.2  2  5 | Ta có a  d ( I ; ( P ))   3. 22  22  12 S Bán kính của đường tròn giao tuyến là: r   16  4 .  Mặt cầu tâm I cắt mặt phẳng  P  theo giao tuyến là một đường tròn nên ta có R 2  a 2  r 2  9  16  25  R  5 . Vậy phương trình mặt cầu tâm I , bán kính R  5 là: ( x  1) 2  ( y  2) 2  ( z  2) 2  25 . Chọn C. Ví dụ 3: Trong không gian Oxyz, cho mặt cầu  S  có phương trình x 2  y 2  z 2  2 x  4 y  6 z  2  0 và mặt phẳng ( ) : 4 x  3 y  12 z  10  0. Tìm phương trình mặt phẳng    thỏa mãn đồng thời các điều kiện: tiếp xúc với  S  ; song song với ( ) và cắt trục Oz ở điểm có cao độ dương. A. 4 x  3 y  12 z  78  0 . B. 4 x  3 y  12 z  26  0 . C. 4 x  3 y  12 z  78  0 . D. 4 x  3 y  12 z  26  0 . Hướng dẫn giải Mặt cầu ( S ) có tâm I (1; 2;3), bán kính R  12  22  32  2  4 . Vì ( ) / /(  ) nên phương trình ( ) có dạng: 4 x  3 y  12 z  d  0, d  10 . Vì (  ) tiếp xúc mặt cầu ( S ) nên | 4.1  3.2  12.3  d |  d  26 d ( I ,(  ))  R   4 | d  26 | 52   . 42  32  ( 12) 2  d  78 Do (  ) cắt trục Oz ở điểm có cao độ dương nên chọn d  78 . Vậy phương trình mặt phẳng (  ) : 4 x  3 y  12 z  78  0 . Chọn C. Bài tập tự luyện dạng 2 Bài tập cơ bản Câu 1: Trong không gian Oxyz , mặt phẳng nào dưới đây song song với mặt phẳng  Oxz  ? A.  P  : x  3  0. B. (Q) : y  2  0 . C. ( R ) : z  1  0 . D. ( S ) : x  z  3  0 . TOANMATH.com Trang 20