Bài 9 trang 123 SGK Hình học 12 Nâng cao

Trong không gian tọa độ Oxyz cho đường thẳng \(\Delta \) có phương trình \({{x - 1} \over 2} = {{y + 1} \over { - 1}} = {z \over 3}.\)
a) Viết phương trình hình chiếu của \(\Delta \) trên các mặt phẳng tọa độ.
b) Chứng minh rằng mặt phẳng \(x + 5y + z + 4 = 0\) đi qua đường thẳng \(\Delta \).
c) Tính khoảng cách giữa đường thẳng \(\Delta \) và các trục tọa độ.
d) Viết phương trình đường vuông góc chung của hai đường thẳng \(\Delta \) và \(\Delta ':x = y = z.\)
e) Viết phương trình đường thẳng song song với Oz, cắt cả \(\Delta \) và ’\(\Delta '\).

Giải

a) Đường thẳng \(\Delta \) có phương trình tham số là:

\(\left\{ \matrix{
x = 1 + 2t \hfill \cr
y = - 1 - t \hfill \cr
z = 3t \hfill \cr} \right.\)

Vì điểm M(x, y, z) có hình chiếu trên (Oxy) là M’(x, y, 0) nên hình chiếu \({d_1}\) của \(\Delta \) trên (Oxy) có phương trình tham số là 

\(\left\{ \matrix{
x = 1 + 2t \hfill \cr
y = - 1 + t \hfill \cr
z = 0 \hfill \cr} \right.\)

Hình chiếu \({d_2}\) của \(\Delta \) trên (Oyz) là

\(\left\{ \matrix{
x = 0 \hfill \cr
y = - 1 - t \hfill \cr
z = 3t \hfill \cr} \right..\)

Hình chiếu \({d_3}\) của \(\Delta \) trên (Oxz) là 

\(\left\{ \matrix{
x = 1 + 2t \hfill \cr
y = 0 \hfill \cr
z = 3t \hfill \cr} \right..\)

b) Lấy điểm \(M\left( {1 + 2t, - 1 - t,3t} \right) \in \Delta ,\) thay tọa độ của M vào phương trình \(mp\left( \alpha  \right)\) ta có:
\(1 + 2t - 5\left( {1 + t} \right) + 3t + 4 = 0 \Rightarrow M \in \left( \alpha  \right).\)
Vậy \(\Delta  \subset \left( \alpha  \right),\) tức \(mp\left( \alpha  \right)\) đi qua \(\Delta \).
c) \(\Delta \) qua điểm \(M\left( {1; - 1;0} \right)\) và có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow u  = \left( {2; - 1;3} \right).\)
Đường thẳng chứa trục Ox qua O(0; 0; 0) và có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow i \left( {1;0;0} \right)\).
Khoảng cách giữa \(\Delta \) và trục Ox là:

\({h_1} = {{\left| {\left[ {\overrightarrow u ,\overrightarrow i } \right].\overrightarrow {OM} } \right|} \over {\left| {\left[ {\overrightarrow u ,\overrightarrow i } \right]} \right|}} = {{\left| { - 3} \right|} \over {\sqrt {{3^2} + {1^2}} }} = {{3\sqrt {10} } \over {10}}.\)

Khoảng cách giữa \(\Delta \) và trục Oy là:

\({h_2} = {{\left| {\left[ {\overrightarrow u ,\overrightarrow j } \right].\overrightarrow {OM} } \right|} \over {\left| {\left[ {\overrightarrow u ,\overrightarrow j } \right]} \right|}} = {{\left| { - 3} \right|} \over {\sqrt {{{\left( { - 3} \right)}^2} + {2^2}} }} = {{3\sqrt {13} } \over {13}}.\)

Khoảng cách giữa \(\Delta \) và trục Oz là:

\({h_3} = {{\left| {\left[ {\overrightarrow u ,\overrightarrow k } \right].\overrightarrow {OM} } \right|} \over {\left| {\left[ {\overrightarrow u ,\overrightarrow k } \right]} \right|}} = {{\left| 1 \right|} \over {\sqrt {{1^2} + {2^2}} }} = {{\sqrt 5 } \over 5}.\)

d) Lấy \(P\left( {1 + 2t, - 1 - t,3t} \right) \in \Delta ,\,\Delta \) có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow u  = \left( {2; - 1;3} \right).\)
\(Q\left( {t',t',t'} \right) \in \Delta ',\,\,\Delta '\) có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow {u'} \left( {1;1;1} \right).\)
Ta có \(\overrightarrow {QP}  = \left( {1 + 2t - t', - 1 - t - t',3t - t'} \right).\)

PQ là đường vuông góc chung của \(\Delta \) và \(\Delta '\) khi và chỉ khi \(\overrightarrow {PQ}  \bot \overrightarrow u \) và \(\overrightarrow {PQ}  \bot \overrightarrow {u'} ,\) tức là:

\(\eqalign{
& \left\{ \matrix{
\overrightarrow {QP} .\overrightarrow u = 0 \hfill \cr
\overrightarrow {QP} .\overrightarrow {u'} = 0 \hfill \cr} \right. \Leftrightarrow \cr&\left\{ \matrix{
2\left( {1 + 2t - t'} \right) - \left( { - 1 - t - t'} \right) + 3\left( {3t - t'} \right) = 0 \hfill \cr
1 + 2t - t' - 1 - t - t' + 3t - t' = 0 \hfill \cr} \right. \cr
& \Leftrightarrow \left\{ \matrix{
14t - 4t' = - 3 \hfill \cr
4t - 3t' = 0 \hfill \cr} \right. \Leftrightarrow \left\{ \matrix{
t = - {9 \over {26}} \hfill \cr
t' = - {6 \over {13}} \hfill \cr} \right.. \cr} \)

Do đó \(Q\left( { - {6 \over {13}}; - {6 \over {13}}; - {6 \over {13}}} \right)\) và \(\overrightarrow {QP}  = \left( {{{20} \over {16}},{{ - 5} \over {16}},{{ - 15} \over {16}}} \right) = {5 \over {16}}\left( {4; - 1; - 3} \right).\)

Đường thẳng PQ đi qua Q và có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow v  = \left( {4; - 1; - 3} \right).\) Do đó PQ có phương trình tham số là: 

\(\left\{ \matrix{
x = - {6 \over {13}} + 4t \hfill \cr
y = - {6 \over {13}} - t \hfill \cr
z = - {6 \over {13}} - 3t \hfill \cr} \right..\)

e) Lấy điểm \(P\left( {1 + 2t, - 1 - t,3t} \right) \in \Delta .\)

\(Q\left( {t',t',t'} \right) \in \Delta '.\)

PQ // Oz \( \Leftrightarrow \overrightarrow {QP} \) cùng phương với 

\(\overrightarrow k = \left( {0;0;1} \right) \Leftrightarrow \left\{ \matrix{
1 + 2t - t' = 0 \hfill \cr
- 1 - t - t' = 0 \hfill \cr} \right. \Leftrightarrow \left\{ \matrix{
t = - {2 \over 3} \hfill \cr
t' = - {1 \over 3}. \hfill \cr} \right.\)

Vậy PQ đi qua \(Q\left( { - {1 \over 3}, - {1 \over 3}, - {1 \over 3}} \right)\) và có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow k  = \left( {0;0;1} \right)\) nên PQ có phương trình tham số là: 

\(\left\{ \matrix{
x = - {1 \over 3} \hfill \cr
y = - {1 \over 3} \hfill \cr
z = - {1 \over 3} + t \hfill \cr} \right..\)

Bài 10 trang 124 SGK Hình học 12 Nâng cao

Trong không gian tọa độ Oxyz, cho hai điểm A(1; -1; 2), B(2; 0; 1).
a) Tìm quỹ tích các điểm M sao cho \(M{A^2} - M{B^2} = 2.\)
b) Tìm quỹ tích các điểm N sao cho \(N{A^2} + N{B^2} = 3.\)
c) Tìm quỹ tích các điểm cách đều hai mặt phẳng (OAB) và (Oxy).

Giải

a) Giả sử M(x, y, z) ta có: \(M{A^2} - M{B^2} = 2.\)

\(\eqalign{
& \Leftrightarrow {\left( {1 - x} \right)^2} + {\left( { - 1 - y} \right)^2} + {\left( {2 - z} \right)^2} - {\left( {2 - x} \right)^2} \cr&- {y^2} - {\left( {1 - z} \right)^2} = 2 \cr
& \Leftrightarrow 2x + 2y - 2z - 1 = 0. \cr} \)

Vậy quỹ tích điểm M là mặt phẳng có phương trình \(2x + 2y - 2z - 1 = 0.\)

b) Giả sử N(x, y, z) ta có: \(N{A^2} + N{B^2} = 3.\)

\(\eqalign{
& \Leftrightarrow {\left( {1 - x} \right)^2} + {\left( { - 1 - y} \right)^2} + {\left( {2 - z} \right)^2} + {\left( {2 - x} \right)^2} \cr&+ {y^2} + {\left( {1 - z} \right)^2} = 3 \cr
& \Leftrightarrow {x^2} + {y^2} + {z^2} - 3x + y - 3z + 4 = 0 \cr
& \Leftrightarrow {\left( {x - {3 \over 2}} \right)^2} + {\left( {y + {1 \over 2}} \right)^2} + {\left( {z - {3 \over 2}} \right)^2} = {3 \over 4}. \cr} \)

Vậy quỹ tích các điểm N là mặt cầu có tâm \(I\left( {{3 \over 2}; - {1 \over 2};{3 \over 2}} \right)\), bán kính \({{\sqrt 3 } \over 2}.\)
c) Mặt phẳng (OAB) đi qua O, có vectơ pháp tuyến \(\overrightarrow n  = \left[ {\overrightarrow {OA} ,\overrightarrow {OB} } \right] = \left( { - 1;3;2} \right)\) nên có phương trình: \( - x + 3y + 2z = 0.\)
Mp(Oxy) có phương trình z = 0.
Điểm M(x, y, z) cách đều mp(OAB) và mp(Oxy) khi và chỉ khi:

\(\eqalign{
& {{\left| { - x + 3y + 2z} \right|} \over {\sqrt {1 + 9 + 4} }} = \left| z \right| \Leftrightarrow - x + 3y + 2z = \pm \sqrt {14} z \cr
& \Leftrightarrow x - 3y + \left( { \pm \sqrt {14} - 2} \right)z = 0. \cr} \)

Bài 11 trang 124 SGK Hình học 12 Nâng cao

Trong không gian Oxyz, cho đường thẳng \(\Delta \) có phương trình 

\(\left\{ \matrix{
x = 1 + at \hfill \cr
y = 1 + bt \hfill \cr
z = 5 + ct \hfill \cr} \right.\)

trong đó a, b, c thay đổi sao cho \({c^2} = {a^2} + {b^2}.\)

a) Chứng minh rằng đường thẳng \(\Delta \) đi qua một điểm cố định, góc giữa \(\Delta \) và Oz là không đổi.
b) Tìm quỹ tích các giao điểm của \(\Delta \) và mp(Oxy).

Giải

a) \(\Delta \) đi qua điểm A(1; 1; 5) cố định.
\(\Delta \) có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow u  = \left( {a,b,c} \right).\)
Gọi \(\varphi \) là góc giữa \(\Delta \) và trục Oz. Ta có:
\(\cos \varphi  = \left| {\cos \left( {\overrightarrow u ,\overrightarrow k } \right)} \right| = \left| {{c \over {\sqrt {{a^2} + {b^2} + {c^2}} }}} \right| = \left| {{c \over {c\sqrt 2 }}} \right| = {{\sqrt 2 } \over 2}.\)
Suy ra \(\varphi  = {45^0}.\)
b) Vì \({c^2} = {a^2} + {b^2}\) nên \(c \ne 0\) (vì nếu c = 0 thì a = b = 0).
Gọi M(x, y, z) là giao điểm của \(\Delta \) và mp(Oxy) thì (x, y, z) thỏa mãn hệ phương trình:

\(\left\{ \matrix{
x = 1 + at \hfill \cr
y = 1 + bt \hfill \cr
z = 5 + ct \hfill \cr
z = 0 \hfill \cr} \right. \Leftrightarrow \left\{ \matrix{
x - 1 = at \hfill \cr
y - 1 = bt \hfill \cr
t = - {5 \over c} \hfill \cr
z = 0 \hfill \cr} \right..\)

Từ đó suy ra \({\left( {x - 1} \right)^2} + {\left( {y - 1} \right)^2} = \left( {{a^2} + {b^2}} \right).{{25} \over {{c^2}}} = 25\) và z = 0.
Vậy quỹ tích điểm M là đường tròn tâm I(1; 1; 0) bán kính bằng 5 và nằm trong mp(Oxy).

Bài 12 trang 124 SGK Hình học 12 Nâng cao

Cho hình hộp chữ nhật ABCD.A’B’C’D’ với AB = a, BC = b, CC’ = c.

a) Tính khoảng cách từ điểm A tới mp(A’BD).

b) Tính khoảng cách từ điểm A’ tới đường thẳng C’D.

c) Tính khoảng cách giữa hai đường thẳng BC’ và CD’.

 Giải

a) Chọn hệ trục tọa độ Oxyz như hình vẽ.
Ta có: \(A'\left( {0;0;c} \right),\,\,B\left( {a;0;0} \right),\,\,D\left( {0;b;0} \right).\)
Phương trình mặt phẳng (A’BD) là: \({x \over a} + {y \over b} + {z \over c} - 1 = 0.\)
Khoảng cách từ A(0; 0; 0) tới mp(A’BD) là:

\(d = {{\left| { - 1} \right|} \over {\sqrt {{1 \over {{a^2}}} + {1 \over {{b^2}}} + {1 \over {{c^2}}}} }} = {{abc} \over {\sqrt {{a^2}{b^2} + {b^2}{c^2} + {c^2}{a^2}} }}.\)

b) Ta có \(C'\left( {a;b;c} \right).\)

\(\eqalign{
& \overrightarrow {A'C'} = \left( {a,b,0} \right),\overrightarrow {C'D} = \left( { - a;0; - c} \right) \cr
& \left[ {\overrightarrow {A'C'} ,\overrightarrow {C'D} } \right] = \left( { - bc,ac,ab} \right). \cr} \)

Khoảng cách từ \(A'\left( {0,0,c} \right)\) tới đường thẳng C’D là:

\({h_1} = {{\left| {\left[ {\overrightarrow {A'C'} ,\overrightarrow {C'D} } \right]} \right|} \over {\left| {\overrightarrow {C'D} } \right|}} = {{\sqrt {{a^2}{b^2} + {b^2}{c^2} + {c^2}{a^2}} } \over {\sqrt {{a^2} + {c^2}} }}.\)

c)  Ta có \(\overrightarrow {BC'}  = \left( {0,b,c} \right),\overrightarrow {CD'}  = \left( { - a,0,c} \right),\overrightarrow {BC}  = \left( {0,b,0} \right),\) khoảng cách giữa BC’ và CD’ là:

\({h_2} = {{\left| {\left[ {\overrightarrow {BC'} ,\overrightarrow {CD'} } \right].\overrightarrow {BC} } \right|} \over {\left| {\left[ {\overrightarrow {BC'} ,\overrightarrow {CD'} } \right]} \right|}} = {{abc} \over {\sqrt {{a^2}{b^2} + {b^2}{c^2} + {c^2}{a^2}} }}.\)

Giaibaitap.me