Giáo án lớp 12 môn Hình học - Chương 2: Phương trình mặt phẳng

215 CHƯƠNG 2 PHƯƠNG TRÌNH MẶT PHẲNG TÓM TẮT LÝ THUYẾT I. VECTƠ PHÁP TUYẾN (HAY PHÁP VECTƠ) CỦA MẶT PHẲNG Vectơ ≠ ® 0 gọi là vtpt của mặt phẳng a nếu giá của vuông góc mặt phẳng a . Vtpt của mp a thường ký hiệu là a ® n Nếu là vtpt của mặt phẳng a thì k. (k≠0) cũng là vtpt của mặt phẳng a . Cho 2 vectơ khác và không cùng phương. Nếu giá của song song hoặc nằm trên mặt phẳng a thì = [ ] là một vtpt của mp a . II. PHƯƠNG TRÌNH MẶT PHẲNG Ax + By + Cz + D = 0 (A2 + B2 + C2 ≠ 0) Phương trình mặt phẳng qua điểm M(xo,yo,zo) và có vtpt = (A,B,C) là: A(x-xo) + B(y-yo) + C(z-zo) = 0 Nếu mặt phẳng a cắt các trục Ox,Oy,Oz lần lượt tại A(a,0,0), B(0,b,0), C(0,0,c) (a,b,c≠0) thì a có phương trình: = 1 (1) Ta gọi phương trình (1) là phương trình mặt phẳng theo đoạn chắn. 216 Trường hợp đặc biệt: 1) Cho mặt phẳng a : Ax + By + Cz + D = 0 . a qua gốc O ó D = 0 . a // Ox ó A = 0 và D ≠ 0. . a qua (chứa) Ox ó A = D = 0 . a // (Oxy) ó A = B = 0 và D ≠ 0 Các trường hợp a //Oy; a //Oz; a qua Oy; a qua Oz; a // (Oxz); a // (Oyz) được suy ra tương tự. 2) Phương trình các mặt phẳng tọa độ: . (Oxy): z = 0 . (Oxz): y = 0 . (Oyz): x = 0 III. VỊ TRÍ TƯƠNG ĐỐI GIỮA HAI MẶT PHẲNG: Cho 2 mặt phẳng : a : Ax + By +Cz + D = 0 ( a ® n = (A,B,C)) a ’:A’x + B’y + C’z + D’ = 0 ( a ® n ’ = (A’,B’,C’)) 1) a cắt a ’ ó A:B:C ≠ A’:B’:C’ ó [ a ® n , a¢ ® n ] ≠ ® 0 (Ký hiệu A:B:C = A’:B’:C’ ó ) 2) a // a ’ ó 3) a ≡ a ’ ó 4) a ^ a ’ ó a ® n . a¢ ® n = 0 ó AA’ + BB’ +CC’ = 0 IV. KHOẢNG CÁCH TỪ MỘT ĐIỂM ĐẾN MỘT MẶT PHẲNG Khoảng cách từ điểm M(xo,yo,zo) đến mặt phẳng a : Ax + By + Cz + D = 0 217 d(M, a ) = Trường hợp đặc biệt: Khoảng cách từ điểm M đến các mặt phẳng tọa độ: d(M,(Oxy)) = |zo| d(M,(Oxz)) = |yo| d(M,(Oyz)) = |xo| V. GÓC GIỮA HAI MẶT PHẲNG Cho 2 mặt phẳng a , a ’ lần lượt có vtpt là = (A,B,C), = (A’,B’,C’) Góc giữa a và a ’ cho bởi: cos(a ,a ’) = |cos( , )| = = 222222 ''' ''' CBACBA CCBBAA ++++ ++ Cần nhớ: 1) Nếu mặt phẳng a qua 3 điểm A,B,C thì a ® n = [ , ] 2) Nếu mặt phẳng a ’ // mặt phẳng a : Ax + By + Cz + D = 0 thì: a ’: Ax + By + Cz + D’ = 0 (D’ ≠ D, D’ chưa biết) 3) Nếu mặt phẳng a có 1 vtpt là = (A,B,C) thì: a : Ax + By + Cz + D = 0 (D chưa biết) 4) Cho mặt phẳng mp a : Ax + By + Cz + D = 0. Đặt f(x,y,z) = Ax + By + Cz + D Ta có : f(xM,yM,zM). f(xN,yN,zN) > 0 ó M và N nằm cùng phía đối với mặt phẳng a . f(xM,yM,zM). f(xN,yN,zN) < 0 ó M và N nằm khác phía đối với mặt phẳng a . 218 BÀI TẬP Bài 1: Cho 2 mặt phẳng :α: 2x-my+3z-6+m=0; α’: (m+3)x – 2y + (5m+1)z – 10 = 0 Tìm m để: a/ α trùng α’ b/ α cắt α’ c/ α vuông góc α’ Giải: a/ α trùng α’ ó = = = ó m=1 b/ = (2, -m, 3), = (m+3, -2, 5m+1) => (-5m2 – m + 6, -7m+7, m2 + 3m -4) Ta có: α cắt α’ ó ≠ ® 0 ó ó m ≠ 1 c/ Ta có: α ^ α’ ó = 0 ó 2(m + 3) + (-m)(-2) + 3(5m + 1) = 0 ó m = 19 9 - Bài 2: Viết phương trình mặt phẳng: a/ Đi qua 3 điểm A(2, 0, -1), B(1, -2, 3), C (0, 1, 2) b/ Đi qua 2 điểm A(1, 1, -1), B(5, 2, 1) và song song trục Oz c/ Đi qua 2 điểm A(1, 1, -1), B(5, 2, 1) và vuông góc mặt phẳng β: -x + z + 10 = 0 d/ Đi qua trục Ox và điểm N (3, -1, 2) e/ Đi qua điểm M (2, -1, 4) và song song mpα: 3x – y +2z = 0 Giải: a/ Gọi (P) là mặt phẳng cần tìm. = = (-10, -5, -5) = -5(2, 1, 1) ó 2x + y+ z – 3 = 0 Gọi (Q) là mặt phẳng cần tìm. 219 Oz có vtcp = (0, 0, 1), = (4, 1, 2 ) ® Qn = = (1, -4, 0) ó x - 4y + 3 = 0 c/ Gọi (R) là mặt phẳng cần tìm. = (-1, 0, 1) = = (1, -6, 1) (R): 1(x – 1) – 6(y – 1) + 1(z + 1) = 0 ó x – 6y + z + 6 = 0 d/ Gọi (T) là mặt phẳng cần tìm. = = (1, 0, 0) = = (0, 2, 1) => (T): 2y + z = 0 Gọi (S) là mặt phẳng cần tìm. α => = = (3, -1, 2) ó 3x – y + 2z -15 = 0 Cách khác α => (S): 3x – y + 2z + D = 0 ( D≠0) ó D = -15 => (S): 3x – y + 2z – 15 = 0 Bài 3: Viết phương trình mặt phẳng (P) qua điểm M(2, -1, -5) và vuông góc với 2 mặt phẳng: α: x + 3y – z = 0 , β: 2x + y – 4z – 8 = 0 Giải: = (1, 3, -1), = (2, 1, -4) => = = (-11, 2, -5) (P): -11(x – 2) + 2(y + 1) – 5(z + 5) = 0 ó -11x + 2y - 5z – 1 = 0 Baøi 4: Viết phương trình mặt phẳng α qua điểm M(4, -1, 1) và cắt các tia Ox, Oy, Oz lần lượt tại A, B, C sao cho OA = 2OB = 3OC Giải: Gọi A( a, 0, 0), B(0, b, 0), C(0, 0, c) (a,b,c > 0) Þα: + + = 1 220 M Î α => - + = 1 (1) OA = 2OB = 3OC => a = 2b = 3c => b = , c = Thay vào (1): - + = 1 => a = 5, b = , c = =>α: + + = 1 ó x + 2y + 3z – 5 = 0 Bài 5: Cho 2 mặt phẳng: α: 2x – y + 2z – 4 = 0; β: -4x + 2y – 4z + 9 = 0 a/ Chứng minh rằng α // β . Tính khoảng cách giữa α và β b/ Viết phương trình mặt phẳng (P) cách đều và Giải: a/ Ta có: = = ≠ => α // β Lấy A(0, -4, 0) Î α d (α, β) = d (A, β) = = b/ Ta có: M(x, y, z) Î (P) ó d(M, α) = d(M, β) ó = ó ó 2x – y + 2z - 4 17 = 0 Bài 6: Tìm điểm M Î Oz biết: a/ M cách đều điểm A (2, 3, 4) và mp (P): 2x + 3y + z – 17 = 0 b/ M cách đều 2 mặt phẳng α: x + y – z + 1 = 0 và β: x – y + z + 5 = 0 Giải: M Î Oz => M( 0, 0, z) 221 a/ Ta có: MA = d( M, (P)) ó = ó 13 + = ó 13z2 – 78z + 117 = 0 ó z = 3 Vậy M(0, 0, 3) b/ Ta có: d(M, α) = d ( M, β) ó = ó ó z = -2 Vậy M( 0, 0, -2) Bài 7: Cho tam giác ABC có A(3, -1, 4), B (2, 1, -2), C(1, -3, 5) Gọi , lần lượt là điểm đối xứng của A, B,C lần lượt qua Ox, Oy, Oz. Tính khoảng cách từ trọng tâm G của tam giác đến mặt phẳng (OAB). Giải: Ta có: (3, 1, -4), (-1, 3, 5) =>trọng tâm G( 0, , 1); OAB = = ( -2, 14, 5) => (OAB): -2x + 14y +5z = 0 =>d (G,(OAB)) = Bài 8: Cho 2 điểm A( 0, 0, -3), B( 2, 0, -1) và mp (P): 3x – 8y + 7z – 1 = 0 Tìm tọa độ điểm C (P) sao cho Giài: Gọi C (x, y, z). Ta có: ó 222 ó ó (1) và (3) => z = -x – 1, y = Thay vào (1) : x2 + (x – 2)2 = 8 ó 9x2 – 12x – 12 = 0 ó Vậy có 2 điểm C: C(2, -2, -3) và C( ) Bài 9: Viết phương trình mặt phẳng (P) qua 2 điểm A(3, 0, 0), C(0, 0, 1) thỏa điều kiện a/ (P) cắt Oy tại điểm B sao cho bằng b/ (P) tạo với mặt phẳng (Oxy) góc 30o. Giải: a/ B Oy => B( 0, b, 0) Nếu b = 0 => B trùng O => SABC = 2 3 (trái giả thiết). Vậy b¹ 0 =>(P): + Ta có: = (-3, b, 0), = (-3, 0, 1) => = (b, 3, 3b) ÞSABC = = 910 2 1 2 +b Do ó : SABC = ó 910 2 1 2 +b = ó b = ± 2 223 Þ (P): ± 12 zy + =1 b/ Gọi B =( P) ∩ Oy => B(0, b, 0) (b≠0; vì nếu b = 0 thì (P)≡(Oxz) => (P) ^ (Oxy)) => + ó bx + 3y + 3bz – 3b = 0 p = (b, 3, 3b): (Oxy) có vtpt = (0, 0, 1) Ta có: cos ((P),(Oxy)) = cos30o ó = ó = ó b2 = ó b = ± =>(P): ± + = 1 Bài 10: Cho 2 điểm A(2, 0, 0), B(0, 1, 1) và mặt phẳng α: 2x – y + 2z + 9 = 0 Tìm điểm C Î Oz sao cho mặt phẳng (ABC) tạo với mặt phẳng α góc 60o. Giải: Ta có: C Î Oz => C( 0, 0, m) = (-2, 1, 1), = (-2, 0, m) =>mp(ABC) có vtpt = = (m, 2m – 2, 2) α = (2, -1, 2) Ta có: ),cos( ann = cos 60 o ó = ó = 224 ó 5m2 - 8m – 8 = 0 ó m = C (0, 0, ) Bài 11: Viết phương trình mặt phẳng (P) chứa trục Ox và cắt mặt cầu (S): x2 + y2 + z2 – 2x +4y + 2z – 3 = 0 theo 1 đường tròn có bán kính bằng 3. Giải: (S) có tâm I(1, -2, -1), bán kính R = 3. (bằng bán kính đường tròn giao tuyến) suy ra (P) cắt (S) theo đường tròn lớn => (P) qua I Ta có: (P) chứa Ox => (P): By + Cz = 0 (B2 + C2 ≠ 0) I Î (P) =>-2B – C = 0 =>C = -2B =>(P): By – 2Bz = 0 ó y – 2z = 0 Bài 12: Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm thuộc trục Oy và tiếp xúc với 2 mặt phẳng: α: 2x + y – 3z + 5 = 0 và β: 2x + y – 3z – 11 = 0 Giải: Gọi I là tâm của (S) I Î Oy => I( 0, m, 0) (S) tiếp xúc α, β ó d(I, α) = d(I, β) ó = ó = | m – 11| ó m = 3 => I(0, 3, 0) (S) có bán kính: R = d( I, α) = =>(S): x2 + (y – 3)2 + z2 = 225 Bài 13: Cho mặt cầu (S): x2 + y2 + z2 + 4x – 2y + 6z – 2 = 0 và mặt phẳng (P): 2x – 3y + 6z – 3 = 0 Viết phương trình mặt phẳng (Q) // (P) và tiếp xúc (S) Giải: (S) có tâm I(-2, 1, -3), bán kính R = 4 (Q) //(P) => (Q): 2x – 3y + 6z + D = 0 (D ≠ -3) Ta có: (Q) tiếp xúc (S) ó d(I, (Q)) = R ó = 4 ó =>(Q): 2x – 3y + 6z + 53 = 0 Bài 14: Cho 4 điểm A(1, 5, 3), B(4, 2, -5), C(5, 5, -1), D(1, 2, 4). a/Viết phương trình mặt cầu (S1) đi qua 3 điểm A, B, C và có tâm nằm trên mặt phẳng (Oxz). b/ Viết phương trình mặt cầu (S2) đi qua 4 điểm A, B, C, D. Giải: a/ Gọi I là tâm của (S1) I Î (Oxz) => I( a, 0, c) ð (S1): x 2 + y2 + z2 – 2ax – 2cz + d = 0 Ta có: A Î (S1) => 35 – 2a – 6c + d = 0 (1) B Î (S1)=> 45 – 8a + 10c + d = 0 (2) C Î (S1) =>51 – 10a + 2c + d = 0 (3) (1), (2), (3) cho: a = , c = , d = - 226 =>(S1): x 2+ y2 + z2 - = 0 b/ Pt (S2) có dạng: x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 A Î (S2) => 35 – 2a – 10b – 6c + d = 0 (1) B Î (S2)=> 45 – 8a – 4b + 10c + d = 0 (2) C Î (S2) =>51 – 10a – 10b + 2c + d = 0 (3) D Î (S2) =>21 – 2a – 4b – 8c + d = 0 (4) (1), (2), (3), (4) cho: a = 1, b = 2, c = -1, d = -19 =>(S1): x 2+ y2 + z2 – 2x – 4y + 2z – 19 = 0 Bài 15: Viết phương trình mặt cầu: a/ có tâm I(-3, 2, 4) và tiếp xúc mặt phẳng (Oyz) b/ có bán kính bằng 4, tiếp xúc mặt phẳng (Oxy) và có tâm nằm trên tia Oz Giải: a/ R = d (I, (Oyz)) = 3 => Pt mặt cầu: (x + 3)2 + (y – 2)2 + (z – 4)2 = 9 b/ Gọi I là tâm của mặt cầu I Î tia Oz => I(0, 0, c) (c>0) d(I, (Oxy)) = R ó |c| = 4 ó c = 4 => I(0, 0, 4) Pt mặt cầu: x2 + y2 + (z – 4)2 = 16 BÀI TẬP TỰ LUYỆN Bài 1: Viết phương trình mặt phẳng α biết mặt phẳng α: a/ Đi qua 3 điểm A(3, 1, 0), B(2, 1, -1), C(4, -1, 5) b/ Đi qua điểm M(-1, 2, 3) và vuông góc đường thẳng AB với A(4, 1, 1), B(5, -1, 3) 227 c/ Đi qua điểm M(2, -2, 1) và song song mặt phẳng β: 2x + y – 3z – 10 = 0 d/ Đi qua trục Oy và điểm M(-1, 6, 4) e/ Đi qua 2 điểm A(1, 2, 1), B(4, 3, -1) và song song trục Oz Bài 2: Viết phương trình mặt phẳng (P) biết: a/ (P) qua 2 điểm A(-1, 1, 4), B(2, 0, 3) và vuông góc mặt phẳng (Q): x – y + 2z – 3 = 0 b/ (P) qua điểm M(3, -1, -5) và vuông góc với 2 mặt phẳng 3x – 2y + 2z + 7 = 0 , 5x – 4y + 3z + 1 = 0 c/ (P) nhận điểm N(2, 1, -3) là hình chiếu của gốc O trên (P) Bài 3: Tìm a và b để 2 mặt phẳng sau song song: 2x + ay + 2z + 3 = 0 và bx + 2y – 4z + 7 = 0 Bài 4: Tìm m để 2 mặt phẳng sau cắt nhau 2x – my + 3z – 6 + m = 0 và (m + 3)x – 2y + (5m + 1)z – 10 = 0 Bài 5: Tìm a để 4 điểm A(1, 2, 1), B(2, a, 0), C(4, -2, 5), D(6, 6, 6) thuộc cùng 1 mặt phẳng Bài 6: Tìm điểm M thuộc trục Ox cách đều điểm A(1, 1, -1) và mặt phẳng (P): x – y – z – 5 = 0 Bài 7: Cho 2 mặt phẳng α: x + 2y – z + 3 = 0, β: 3x – y + z – 5 = 0 Viết phương trình mặt phẳng (P) qua giao tuyến của α, β và: a/ qua điểm M(3, 0, 1) b/ song song trục Oy c/ vuông góc mặt phẳng (Q): x – y – 3z + 6 = 0 d/ cắt trục Ox tại điểm N sao cho ON = 1 Bài 8: Viết phương trình mặt phẳng đi qua 2 điểm M(0, 2, 0), N(2, 0, 0) và hợp với mặt phẳng (Oyz) góc 60o Bài 9: Viết phương trình mặt cầu có tâm thuộc trục Oz và tiếp xúc với 2 mặt phẳng: 2x + y – 3z – 1 = 0, x – 2y + 3z + 5 = 0 Bài 10: (ĐH 08B) 228 Cho 3 điểm A(0,1, 2), B(2, -2, 1), C(-2, 0, 1) a/ Viết phương trình mặt phẳng (ABC) b/ Tìm tọa độ điểm M Î mặt phẳng (P): 2x + 2y + z – 3 = 0 sao cho MA = MB = MC. Bài 11: (ĐH.10B) Cho 3 điểm A(1, 0, 0), B(0, b, 0), C (0, 0, c) (b>0, c>0) và mặt phẳng (P): y – z + 1 = 0. Xác định b, c biết (ABC) vuông góc (P) và khoảng cách từ gốc 0 đến (ABC) bằng Bài 12: (ĐH.10D) Cho 2 mặt phẳng (P): x + y + z – 3 = 0, (Q): x – y + z – 1 = 0 Viết phương trình mặt phẳng (R) vuông góc với (P) và (Q) sao cho khoảng cách từ gốc O đến (R) bằng 2 Bài 13: (ĐH.08D) Cho 4 điểm A(3, 3, 0), B(3, 0, 3), C(0, 3, 3),D(3, 3, 3) a/ Viết phương trình mặt cầu đi qua 4 điểm A, B, C, D. b/ Tìm tọa độ tâm đường tròn ngoại tiếp ∆ABC. Bài 14: (ĐH.09A) Cho mặt phẳng (P):2x – 2y – z – 4 = 0 và mặt cầu (S): x2 + y2 + z2 – 2x – 4y – 6z – 11=0. Chứng minh rằng (P) cắt (S) theo 1 đường tròn. Xác định tọa độ tâm và tính bán kính của đường tròn. Bài 15: (ĐH.09B) Cho tứ diện ABCD có A(1, 2, 1), B(-2, 1, 3), C(2, -1, 1),D(0, 3, 1). Viết phương trình mặt phẳng (P) Xi qua A, B sao cho khoảng cách từ C đến (P) bằng khoảng cách từ D đến (P)