Ôn tập TN THPT môn Toán - Chuyên đề: Một số bài toán cực trị hình học tọa độ trong không gian

Nội dung tài liệu: Ôn tập TN THPT môn Toán - Chuyên đề: Một số bài toán cực trị hình học tọa độ trong không gian

1. CHUY£N §£ MỘT SỐ BÀI TOÁN CỰC TRỊ HÌNH HỌC TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN I. MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN 1. Bài toán cực trị hình học Trong chương trình THPT hầu như các bài toán cực trị hình học có dạng chung là: Trong tất cả các hình có chung một tính chất, tìm hình mà một đại lượng nào đó (độ dài, khoảng cách, số đo góc, số đo diện tích, số đo thể tích, ) có giá trị lớn nhất hay nhỏ nhất. Giả sử hình H thay đổi trên miền D mà vị trí hay hình dạng của nó thay đổi theo một đại lượng cho bởi biểu thức f ứng với sự biến thiên của tập các biến số X trên tập xác định D. Khi tìm vị trí hay hình dạng của hình H trên miền D sao cho f đạt giá trị nhỏ nhất ta phải xác định được hai điều kiện sau: 1. Với mọi vị trí hay dạng của hình H trên miền D thì f M (là hằng số) 2. Tồn tại vị trí hay dạng của hình H trên miền D sao cho f = M Khi tìm vị trí hay hình dạng của hình H trên miền D sao cho f đạt giá trị lớn nhất ta phải xác định được hai điều kiện sau: 1. Với mọi vị trí hay dạng của hình H trên miền D thì f m (là hằng số) 2. Tồn tại vị trí hay dạng của hình H trên miền D sao cho f = m. 2.Một số kỹ năng cơ bản - Biết cách dựng đường vuông góc từ một điểm đến một đường thẳng, đến một mặt phẳng đặc biệt là đường vuông góc tới mặt phẳng. - Biết vận dụng kiến thức hình học vào việc chứng minh: song song, vuông góc, chéo nhau, - Biết cách dựng đoạn vuông góc chung của hai đường thẳng chéo nhau. 1
2. - Biết cách so sánh, đặt tương ứng khoảng cách cần tìm với khoảng cách nào đó để tiện cho việc tính khoảng cách. - Biết cách vận dụng thành thạo các công thức liên quan đến tính khoảng cách, tính độ dài của đoạn thẳng - Kỹ năng vẽ hình không gian - Kỹ năng nhận dạng các hình đăc biệt như: tam giác(tam giác vuông, cân, đều), Tứ giác có hai đường chéo vuông góc, hình bình hành, hình thoi, chữ nhật - Kỹ năng nhận dạng các đa diện đặc biệt như: đa diện đều, hình chóp đều, lăng trụ đứng, lăng trụ đều, hình hộp, hộp chữ nhật, lập phương - Biết vận dụng linh hoạt các công thức vào tính toán - Kỹ năng nhận dạng các khối đa diện đặc biệt - Kỹ năng xác định chiều cao của hình chóp, lăng trụ, hình trụ, hình nón - Kỹ năng vận dụng linh hoạt các công thức tính thể tích, công thức về tỉ số các thể tích của các khối chóp tam giác. - Kỹ năng dựng góc giữa hai đường thẳng trong không gian, góc giữa đường thẳng với mặt phẳng, góc giữa hai mặt phẳng. - Biết cách thiết lập tương ứng sự thay đổi độ lớn của đoạn thẳng (góc, diện tích, thể tích ) với các đại lượng (biến số) hay hàm số của một hay nhiều biến số - Biết vận dụng các phương pháp tìm cực trị, GTLN, GTNN. 3) Một số kiến thức cơ bản thường dùng để giải bài toán cực trị trong hình học phẳng: a. Quan hệ giữa góc và cạnh đối diện trong một tam giác: Trong một tam giác, góc đối diện với cạnh lớn hơn là góc lớn hơn. Trong một tam giác, cạnh đối diện với góc lớn hơn là cạnh lớn hơn. Trong hai tam giác có hai cặp cạnh tương ứng bằng nhau, nếu cạnh thứ ba của tam giác này lớn hơn cạnh thứ ba của tam giác kia thì góc đối diện cũng lớn hơn và ngược lại. b. Quan hệ giữa đường vuông góc và đường xiên, đường xiên và hình chiếu: 2
3. Trong các đường xiên và đường vuông góc kẻ từ một điểm ở ngoài một đường thẳng đến đường thẳng đó, đường vuông góc là đường ngắn nhất. Trong hai đường xiên kẻ từ một điểm nằm ngoài một đường thẳng đến đường thẳng đó:  Đường xiên nào có hình chiếu lớn hơn thì lớn hơn.  Đường xiên nào lớn hơn thì có hình chiếu lớn hơn.  Nếu hai đường xiên bằng nhau thì hai hình chiếu bằng nhau và ngược lại. c.Quan hệ giữa ba cạnh của một tam giác, bất đẳng thức tam giác: Trong một tam giác, tổng dộ dài hai cạnh bất kì bao giờ cũng lớn hơn độ dài cạnh còn lại. Trong một tam giác, hiệu độ dài hai cạnh bất kì bao giờ cũng nhỏ hơn độ dài cạnh còn lại. Trong một tam giác, độ dài một cạnh bao giờ cũng lớn hơn hiệu và nhỏ hơn tổng các độ dài của hai cạnh còn lai. d. Quan hệ giữa đoạn thẳng và đường gấp khúc: Trong các đường nối liền hai điểm, đoạn thẳng nối hai điểm đó là ngắn nhất. e. Các bất đẳng thức trong đường tròn: Đường kính là dây lớn nhất của đường tròn. Trong hai dây của một đường tròn, dây lớn hơn khi và chỉ khi khoảng cách đến tâm nhỏ hơn. Trong hai cung nhỏ của một đường tròn, cung lớn hơn khi và chỉ khi góc ở tâm lớn hơn. II. MỘT SỐ BÀI TOÁN CỰC TRỊ VÀ CÁCH GIẢI TỰ LUẬN Bài toán 1 : TÌM TOẠ ĐỘ ĐIỂM THỎA MÃN HỆ THỨC. Dạng1: Tìm điểm M thuộc mặt phẳng sao cho: T = aMA2 + bMB2 + cMC2 a,b,c R lớn nhất (nhỏ nhất) Cách giải: Gọi G là điểm thỏa mãn : aGA bGB cGC 0 T được biểu diễn: 2 2 2 T a MG GA b MG GB c MG GC 2 = a b c MG 2MG aGA bGB cGC + a.GA2 + b.GB2 + c.GC2 +) Nếu a + b + c > 0 ta có Tmin MGmin M là hình chiếu của G lên (P) +) Nếu a + b + c < 0 ta có Tmax MGmin M là hình chiếu của G lên (P) 3
4. Các ví dụ: Ví dụ 1: a, Trong không gian với hệ Oxyz cho mặt phẳng : x –y – 2z = 0 và điểm A(1; 3; 1); B(3; 2; 2); C(1; 1; -1). Tìm điểm M sao cho T = MA2 + 2MB2 + MC2 nhỏ nhất. b, Trong không gian với hệ Oxyz cho : x – y + 2z = 0 và các điểm A(1; 2; -1); B(3; 1; -2); C(1; -2; 1). Tìm M sao cho P = MA2 - MB2 - MC2 lớn nhất. Lời giải: a. Giả sử G thỏa mãn: GA 2GB GC 0 G 2;1;1 2 2 2 T = MA2 + 2MB2 + MC2 = MG GA 2 MG GB MG GC = 4MG2 + GA2 + 2GB2 + GC2 Vì G, A, B, C cố định nên T nhỏ nhất khi và chỉ khi MG nhỏ nhất M là hình chiếu vuông góc của G trên mặt phẳng . x 2 t Gọi d là đường thẳng qua G và vuông góc với d : y 2 t z 1 2t x 2 t y 2 t 5 7 1 Tọa độ của M là nghiệm của hệ: M ; ; z 1 2t 3 3 3 x y 2z 0 b. Gọi G là điểm thỏa mãn: GA GB GC 0 G 3; 3; 0 2 2 2 MA2 - MB2 - MC2 = MG GA MG GB MG GC = -MG2 + GA2 – GB2 – GC2 Vì G, A, B, C cố định nên P lớn nhất khi và chỉ khi MG nhỏ nhất M là hình chiếu vuông góc của G lên (P) M(2; -2; -2) Ví dụ 2: Trong không gian với hệ Oxyz, cho ba điểm A(3; 1; 1); B(7; 3; 9); C(2; 2; 2) và mặt phẳng (P) có phương trình: x + y – z + 3 = 0. Tìm trên (P) điểm M sao cho MA 2MB 3MC nhỏ nhất. Lời giải: 23 13 25 Gọi I là điểm thỏa mãn IA 2IB 3GC 0 I ; ; P 6 6 6 4
5. Ta có MA 2MB 3MC MI IA 2 MI IB 3 MI IC = 6MI IA 2IB 3IC 6MI MA 2MB 3MC 6MI Do đó, MA 2MB 3MC nhỏ nhất khi và chỉ khi MI nhỏ nhất, suy ra M là hình chiếu của I trên (P). Dạng 2: Tìm điểm M thuộc mặt phẳng (P) sao cho (MA + MB )min, MA MB max Cách giải A * Tìm M (P) sao cho MA + MB min M + Nếu A, B khác phía đối với (P). P MA + MBmin khi M, A, B thẳng hàng M AB  (P) B B + Nếu A, B cùng phía đối với (P). A Gọi A1 là điểm đối xứng với A qua (P) Có MA + MB = MA1 + MB M Do A1 và B khác phía đối với (P) nên (MA + MB) min P (MA1 + MB) min khi và chỉ khi M, A1, B thẳng hàng M A1B  (P) A1 * Tìm M (P) sao cho MA MB max + Nếu A, B khác phía đối với (P). Gọi A1 là điểm đối xứng với A qua (P), ta có: A MA MB = MA1 MB A1B MA MB max = A1B M P M, A1, B thẳng hàng M A1B  P Từ đó tìm được toạ độ điểm M. A1 + Nếu A, B cùng phía đối với (P) B MA MB AB MA MB max = AB M , A, B thẳng hàng M AB  (P) Ví dụ 1: Cho A(1; 1; 2); B(2; 1; -3) và mặt phẳng (P): 2x + y -3z – 5 = 0. Tìm điểm M thuộc (P) sao cho (MA + MB) nhỏ nhất. 5
6. Lời giải: Xét vị trí tương đối của A, B đối với mặt phẳng (P) ta có: tA.tB = (2.1 + 1 – 3.2 + 5).(2.2 + 1 – 3.(-3) -5) = -72 0 A1 Suy ra A, B cùng phía đối với (P). Gọi A1 là điểm đối xứng với A qua (P) MA + MB = MB + MA1 Mà MB + MA1 BA1 MB + MA1min = BA1 B, M, A1 thẳng hàng. Hay M BA1  P 13 Lập phương trình đường thẳng BA1, giải hệ tìm được toạ đội điểm M ;2;2 8 Ví dụ 3: Trong không gian Oxyz, cho A(1; 2; 3); B(4; 4;5). Viết phương trình đường thẳng AB, tìm giao điểm P của đường thẳng AB và (Oxy). 6
7. Chứng minh rằng: Với mọi Q Oxy biểu thức QA QB có giá trị lớn nhất khi Q  P. A Lời giải: B x 1 3t Phương trình đường thẳng AB: y 2 2t z 3 2t P Q Giao điểm của đường thẳng AB với (Oxy) x 1 3t y 2 2t 7 là nghiệm của hệ: P ; 1;0 z 3 2t 2 z 0 Q Oxy biểu thức QA QB có giá trị lớn nhất khi Q P. Thật vậy, ta có tA.tB = 4 > 0, suy ra A, B cùng phía đối với (Oxy). Với ba điểm Q, A, B ta có: QA QB AB . Dấu “=” xảy ra khi và chỉ khi A, Q, B thẳng hàng Q AB  P Q  P Ví dụ 4: Trong không gian Oxyz cho A(-3; 5; -5); B(5; -3; 7) và mặt phẳng (P): x + y + z = 0. Tìm điểm M thuộc mặt phẳng (P) sao cho MA2 + MB2 nhỏ nhất. Lời giải: Gọi H là trung điểm của AB, suy ra H có toạ độ là H(1; 1; 1). AB2 Tam giác MAB có trung tuyến MH nên MA2 + MB2 = 2MH2 + 2 Do đó MA2 + MB2 min MH 2 min MH min MH  (P) M là hình chiếu của H trên (P) P(P) có véc tơ pháp tuyến là n(1;1;1) và O (P) Mà OH (1;1;1) M  O Vậy M(0;0;0) thì MA2 + MB2 nhỏ nhất, khi đó MA2 + MB2 = OA2 + OB2 = 142 Bài tập áp dụng: 1. Trong không gian với hệ Oxyz cho tam giác ABC với A(1; 2; 5); B(1; 4; 3); C(5; 2; 1) và mặt phẳng (P): x – y – z – 3 = 0. Gọi M là điểm thay đổi trên (P). Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức MA2 + MB2 + MC2 7
8. 2. Trong không gian Oxyz cho A(1; 2; 3); B(3; 4; -1) và mặt phẳng (P) có phương trình 2x + y + 2z + 9 = 0. Tìm toạ độ điểm M thuộc (P) sao cho : MA2 + MB2 nhỏ nhất. 3. Trong không gian Oxyz cho A(-1; 3; -2); (0; 1; 0); C(1; 0; -2). Tìm điểm M trên mP(P): x + y + z + 1 = 0 sao cho tổng MA2 + 2MB2 + 3MC2 có giá trị nhỏ nhất. 4. Trong không gian Oxyz cho A(-1; 3; -2); B(-3; 7; -18) và mp(P): 2x – y + z + 1 = 0. Tìm điểm M thuộc (P) sao cho MA + MB nhỏ nhất. 5. Cho A(1; 2; 2); B(5; 4; 4) và mp(P): 2x + y – z + 6 = 0. Tìm điểm M thuộc (P) sao cho MA2 + MB2 nhỏ nhất. Dạng 3: Trong không gian với hệ Oxyz cho hai điểm A, B và đường thẳng (d). Tìm điểm M trên (d) sao cho MA + MB nhỏ nhất, MA MB lớn nhất Cách giải: Tìm điểm M trên (d) sao cho MA + MB nhỏ nhất Bước 1: Tìm toạ độ các điểm A1, B1 theo thứ tự là hình chiếu vuông góc của A, B lên (d). Bước 2: Tính các độ dài AA1, BB1 từ đó tìm được điểm N d chia véc tơ A1B1 theo tỷ số B AA1 AA1 ( Gọi N là điểm chia A1B1 theo tỷ số ) BB1 BB1 A AA1 NA1 .NB1 BB1 (d) Bước 3: Chứng minh (MA + MB) min A1 N B1 khi và chỉ khi M trùng với N A2 Thật vậy: Gọi A2 là điểm thuộc mặt phẳng (B; (d)), A2, B khác phía đối với (d) và thoả mãn: AA1 A1 A2 AA1 A1 A2 A1 A2 NA1 .NB1 A1 A2  d BB1 B1B2 BB1 A1 A2 NA1 A1 A2 NA1 .NB1 A2, N, B thẳng hàng. BB1 NB1 BB1 MA MB MA2 MB A2 B NA NB Dấu “=” xảy ra M  N x 1 y 1 z 2 Ví dụ 1: Cho A(1; 1; 0); B(3; -1; 4) và đường thẳng (d): 1 1 2 Tìm điểm M trên (d) sao cho MA + MB nhỏ nhất. 8
9. Lời giải: Đường thẳng (d) có phương trình tham số là: x = -1 + t; y = 1 – t; z = -2 + 2t, a 1; 1;2 +, Gọi A1 là hình chiếu vuông góc của A lên d, suy ra A1 thuộc d A1 (d) A1 1 t;1 t; 2 2t Vì AA1  d AA1.a 0 t 2 ( t) (2t 2) 0 t 1 Vậy A1(0; 0; 0) và AA1 1; 1;0 AA1 2 +, Gọi B1 là hình chiếu vuông góc của B lên d B d B1 ( 1 t;1 t; 2 2t) BB1 (t 4; t 2;2t 6) Vì BB1 d BB1 a BB1.a BB1.a 0 (t 4).1 ( t 2).1 2(2t 6) 0 t 3 BB1 2 AA1 Vậy, điểm N d chia véc tơ A1B1 theo tỉ số = -1 BB1 A2 NA1 NB1 N(1; 1;2) M B d +, Ta chứng minh (MA + MB) min M  N 1 A1 N Thật vậy, gọi A2 là điểm thuộc mặt phẳng A xác dịnh bới B và d (A2 và B khác phía đối với d) B thoả mãn AA1 = A2A1; A1 A2  d AA1 A1 A2 A1 A2 NA1 .NB1 A2 , N, B thẳng hàng BB1 BB1 BB1 Vậy MA + MB = MA2 + MB A2 B MA MB Dấu “=” xảy ra M  N M (1; 1;2) Ví dụ 2: Trong hệ Oxyz cho các điểm A(1; 5; 0); B(3; 3; 6) và đường thẳng x 1 2t : y 1 t Một điểm M that đổi trên . Xác định vị trí của M để chu vi tam giác MAB z 2t đạt giá trị nhỏ nhất. Lời giải: 2PABM = AB + MA + MB 2P min MA MB min có véc tơ chỉ phương: u (2; 1;2) 9
10. +, A1 là hình chiếu của A trên A1 ( 1 2t;1 t;2t) AA1 (2t 2; t 4;2t) AA1  AA1  u AA1.u 0 2(2t 2) 1( t 4) 4t 0 9t 0 t 0 A1 ( 1;1;0) AA1 ( 2; 4;0) AA1 2 5 +, B1 là hình chiếu của B trên B1 ( 1 2t1;1 t1;2t1 ) BB1 (2t1 4; t1 2;2t1 6) BB1  nên BB1  u BB1.u 0 2t1 4 .2 t1 2 .( 1) (2t1 6).2 0 AA1 9t1 18 t1 2 B1 (3; 1;4) BB1 (0; 4; 2) BB1 2 5 1 BB1 AA1 +, Gọi N là điểm chia A1B1 theo tỉ số - 1 (N nằm giữa A1 và B1) BB1 NA1 NB1 N(1;0;2) (N là trung điểm của A1B1) +, Ta chứng minh MA + MB min M  N Thật vậy, gọi A2 là điểm thuộc mặt phẳng xác định bởi (B; ( )), A2 và B khác phía đối A1 A2 AA1 với và thoả mãn A A  B 1 2 A AA1 A1 A2 A1 A2 NA1 .NB1 BB1 BB1 BB1 A1 N A2, N, B thẳng hàng. M B1 A2 Vậy MA + MB + MA2 + MB A2 B NA NB Dấu “=” xảy ra M  N M (1;0 2) Ví dụ3: Trong không gian với hệ Oxyz cho A(2; 0; 3) ; B(2; -2; -3) x 2 y 1 z : . Chứng minh A, B và ( ) cùng nằm trong một mặt phẳng. Tìm điểm 1 2 3 M thuộc đường thẳng sao cho MA4 + MB4 đạt giá trị nhỏ nhất. Lời giải: x 2 Phương trình đường thẳng AB: y t z 3 3t 10
11. x 2 t' Phương trình : y 1 2t' z 3t' 2 2 t' t 1 Gọi I là giao điểm của AB và ta có: t 1 2t' I (2; 1; 0 ) t ' 0 3 3t 3t' Vậy AB và ( ) cắt nhau tại I nên A, B và đồng phẳng. Có: IA (0; 1; 3); IB (0; 1; 3) IA IB I là trung điểm của AB , IA + IB = AB 2 4 4 1 2 2 2 1 1 2 1 4 1 4 Khi đó MA + MB (MA MB ) MA MB AB (IA IB) 2 2 2 8 8 Suy ra MA4 MB4 nhỏ nhất khi M  I(2; 1;0) Bài toán 2: VIẾT PHƯƠNG TRÌNH MẶT PHẲNG . Dạng 1 : Cho hai điểm phân biệt A và B. Viết phương trình mặt phẳng ( ) chứa B và cách A một khoảng lớn nhất. Cách giải: Gọi H là hình chiếu của A lên (P), khi đó tam giác ABH vuông tại H d A; P AH AB d A; P max = AB H  B Khi đó (P) là mặt phẳng đi qua B và vuông góc với AB. Ví dụ 1: Viết phương trình mặt phẳng đi qua điểm B(1; 2; -1) và cách gốc toạ độ một khoảng lớn nhất. Lời giải: Gọi H là hình chiếu của A trên mp(P) cần tìm, khi đó OH OB d O; P OH OB d O; P max = OB Vậy mp(P) đi qua B(1; 2; -1) và nhận OB (1;2; 1) làm véc tơ pháp tuyến. Vậy mp(P) có phương trình: 1(x – 1) + 2(y – 2) – 1(z + 1) = 0 x 2y z 6 0 11
12. Dạng 2: Cho điểm A và đường thẳng không đi qua A. Viết phương trình mặt phẳng (P) chứa sao cho khoảng cách từ A đến mp(P) là lớn nhất. Cách giải: A Gọi H là hình chiếu vuông góc của A trên mp(P), K là hình chiếu vuông góc của A trên đường thẳng P H K d A; P AH AK d A; P max = AK H  K Vậy mp(P) cần tìm là mặt phẳng chứa và vuông góc với AK. Hay (P) chứa và vuông góc với mp(AK; ) Ví dụ: Cho ba điểm A(1; 1; 1); B(2; 1; 0); C(2; 0; 2). Viết phương trình mặt phẳng ( ) đi qua hai điểm B, C và cách điểm A một khoảng lớn nhất. Lời giải: Mặt phẳng cần tìm chứa BC và vuông góc với mp(ABC). Ta có BC (0; 1;2), AB (1;0; 1) . Toạ độ véc tơ pháp tuyến của mp(ABC) là n( ABC) BC, AB (!;2;1) . Suy ra mp( ) có một véc tơ pháp tuyến là n BC,n ( ABC)  ( 5;2;1) . Vậy phương trình mặt phẳng ( ) là -5(x – 2) + 2(y – 1) + Z = 0 hay -5x + 2y + z + 8 = 0. Dạng 3 : Cho đường thẳng d và điểm A không thuộc d . Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua A , song song với d và khoảng cách từ d tới (P) lớn nhất . Cách giải : Bước 1 : Gọi I là hình chiếu vuông góc của A trên d . Tìm được tọa độ điểm I . Bước 2 : Gọi H là hình chiếu vuông góc của I trên (P) .Ta có IH IA Suy ra IHmax = IA khi và chỉ khi H A .Vậy (P) đi qua A và nhận AI làm vec tơ pháp tuyến . Bước 3 : Viét phương trình mặt phẳng (P) . Ví dụ : Trong không gian với hệ tọa độ O xyz choA(10;2;-1) và đường thẳng d có x 1 y z 1 phương trình : . Lập phương trình mặt phẳng (P) đi qua A , song song với 2 1 3 d và khoảng cách từ d tới (P) lớn nhất . Lời giải: Áp dụng phương pháp giải trên ta tìm được phương trình mặt phẳng (P) là : 7x + y -5z -77 = 0 . 12
13. Dạng 4: Cho hai đường thẳng 1, 2 phân biệt và không song song với nhau. Viết phương trình mặt phẳng ( ) chứa 1 và tạo với 2 một góc lớn nhất. Lời giải: Vẽ một đường thẳng bất kỳ 3 song song với 2 và cắt 1 tại K. Gọi A là điểm cố định trên 3 và H là hình chiếu của A trên mp( ). Ta có góc giữa 2 và ( ) chính là góc AKH. Kẻ AT  1 ,(T 1 ) HK KT Khi đó tam giác HKT vuông tại T, nên cos AKH = (không đổi) AK AK Vậy góc AKH lớn nhất khi và chỉ khi HK = KT hay H  T . Góc lớn nhất đó chính bằng góc AKT = ( 1, 2). Khi đó mặt phẳng ( ) cần tìm có véc tơ chỉ phơng là u 1 ,u 2  Do đó véc tơ pháp tuyến của mp( ) là n u 1 ,u 1 ,u 2  x y 1 x y z Ví dụ: Cho hai đường thẳng : ; : . Viết phương trình mặt phẳng ( 1 1 1 2 1 1 1 ) chứa 1 và tạo với 2 một góc lớn nhất. Lời giải: Ta tháy hai đường thẳng trên phân biệt và không song song với nhau. Theo kết quả bài toán trên thì do u 1 (1;1;2), u 2 (1;1;1) , suy ra u 1 ,u 2  ( 1;1;0) Do đó véc tơ pháp tuyến của mp( ) là n u 1 ,u 1 ,u 2  ( 2; 2;2) Vậy phương trình mp( ) là -2x -2(y - 1) + 2z = 0 hay x + y - z - 1 = 0. Dạng 5 : Viết phương trình mặt phẳng (P) chứa đường thẳng (d) và tạo với mặt phẳng (Q) một góc nhỏ nhất. Cách giải: Bước 1: Gọi M(x0; y0; x0) thuộc (d); mặt phẳng (P) chứa (d) nên điểm M thuộc (P) 2 2 2 Phương trình mp(P): A(x – x0) + B(y – y0) + c(z – z0) = 0 (A + B + C 0) Bước 2: mp(P) có véc tơ pháp tuyến: n p (A; B;C) (Q) có véc tơ pháp tuyến: nQ (A'; B';C') AA' BB' CC' Gọi là góc giữa (P) và (Q). Ta có cos A2 B 2 C 2 A'2 B'2 C'2 Bước 3: (P) chứa (d) nên n P .u d 0 biểu thị sự liên quan giữa A, B, C. Tìm giá trị lớn nhất của cos . 13
14. x t Ví dụ: Viết phương trình mp(P) chứa đường thẳng (d): y 1 2t z 2 t và tạo với mp(Q): 2x – y – 2z – 2 = 0 một góc nhỏ nhất. Hướng dẫn giải: 3B Áp dụng kết quả bài toán trên tìm được cos 3 5B 2 4BC 2C 2 1 1 1 C = Suy ra cos lớn nhất bằng 1 C B 2 C 3 3 B 2 1 3 B Vậy mp(P) có phương trình x + y – z + 3 = 0. Bài tập áp dụng: 1. Trong không gian với hệ Oxyz cho điểm A(2; 5; 3), đường thẳng d: x 1 y z 2 . Viết phương trình mp(P) chứa (d) sao cho khoảng cách từ A đến (P) lớn 2 1 2 nhất. x 1 y 2 z 3 x y 1 z 2 2. Cho d1: . và d2: . 1 1 1 2 1 1 Viết phương trình mặt phẳng (P) chứa d1 đồng thời tạo với d2 một góc nhỏ nhất. x 1 y 2 z 1 3. Trong không gian với hệ Oxyz cho d: . Viết phương trình 1 1 1 mp(P) chứa d và tạo với mp(Oxy) một góc nhỏ nhất. Bài toán 3 : VIẾT PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG THẲNG. Dạng 1: Cho mặt phẳng ( ) và điểm A thuộc ( ), điểm B khác A. Tìm đường thẳng nằm trong ( ) đi qua A và cách B một khoảng nhỏ nhất. Cách giải: Gọi H là hình chiếu vuông góc của B trên ,ta thấy d(B; ) = BH AB Vậy khoảng cách đó lớn nhất khi và chỉ khi H  A . B Khi đó là đường thẳng qua A có một véc tơ chỉ phương là u n a , AB . Gọi T là hình chiếu   H P H của B trên ( ) , ta thấy BH BT . A Vậy khoảng cách BH nhỏ nhất bằng BT khi và chỉ khi H  T hay đường thẳng đi qua A và T. 14
15. để viết phơng trình đường thẳng ta có hai cách : +, Tìm hình chiếu vuông góc T của B trên , từ đó viết phương trình đường thẳng đi qua A và T. +, Tìm toạ độ một véc tơ chỉ phương của đường thẳng : u n ,n , AB Ví dụ: Viết phương trình đường thẳng đi qua A(1;1;1) vuông góc với đường thẳng x t ': y 1 t (t R) và cách điểm B(2;0;1) một khoảng lớn nhất. z 1 2t Lời giải:Gọi ( ) là mặt phẳng đi qua A và vuông góc với ’. Khi đó đường thẳng nằm trong mặt phẳng ( ) đi qua A và cách B một khoảng lớn nhất. Theo bài toán trên, ta có AB (1; 1;0), n (1;1;2),u n , AB 2;2; 2 x 1 t Vậy phương trình đường thẳng là y 1 t (t R) z 1 t Dạng 2: Cho mặt phẳng và điểm A thuộc , đường thẳng d không song song hay nằm trên . Tìm đường thẳng nằm trong đi qua A và tạo với đường thẳng d góc bé nhất, lớn nhất. Cách giải:Vẽ đường thẳng qua A song song với d. Trên đường thẳng này lấy điểm B khác A cố định. Hình chiếu vuông góc của B trên và theo thứ tự là H và K. BH BK Ta có: (d, ) = BAH; sin(d, ) = A AB AB d Vậy (d, ) nhỏ nhất khi và chỉ khi H  K , K A hay chính là đường thẳng AK. P H Ta thấy một véc tơ chỉ phương của là u n ,n ,u d , 0 còn đường thẳng tạo với d góc lớn nhất bằng 90 và có véc tơ chỉ phương là u n ,u d . Dạng 3 : Cho mặt phẳng và điểm A thuộc ,đường thẳng d không song song với , không nằm trên , không đi qua A. Tìm đường thẳng nằm trong mặt phẳng đi qua A sao cho khoảng cách giữa và đường thẳng d là lớn nhất. Cách giải: 15
16. Gọi d’ là đường thẳng qua A và song song với d và B là giao điểm của d với mp . d d’ Gọi H là hình chiếu vuông góc của B trên mặt phẳng (d’, ). Khoảng cách giữa d và bằng BH. C H B Gọi C là hình chiếu vuông góc của B trên d’. P A Ta thấy BH BC ,nên BH lớn nhất khi và chỉ khi H  C. Khi đó đường thẳng có một véc tơ chỉ phương u n , BC . Có thể thay véc tơ BC bằng AT , trong đó T là hình chiếu vuông góc của A trên d. Bài tập áp dụng: 1. Trong không gian với hệ Oxyz viết phương trình đường thẳng d1 qua A(1; 1; 2) x 1 y 2 z và vuông góc với d2: đồng thời tạo với trục Oz góc nhỏ nhất. 2 1 2 x 1 y 2 z 2. Trong không gian với hệ Oxyz, cho d1: và hai điểm A(1; 1; 0); 2 1 1 B(2; 1; 1). Viết phương trình đường thẳng d2 đi qua A và vuông góc với d1 sao cho khoảng cách từ điểm B đến đường thẳng d2 lớn nhất. III. BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM A. MỘT SỐ DẠNG GIẢI NHANH CỰC TRỊ HÌNH HỌC TỌA ĐỘ KHÔNG GIAN 1. Dạng 1 Cho P và hai điểm AB,. Tìm MP để MA MB ? min Phương pháp Nếu A và B trái phía so với P MAB,, thẳng hàng M AB  P Nếu A và B cùng phía so với P thì tìm B ' là đối xứng của B qua P M = AB’  (P) 2. Dạng 2 Cho P và hai điểm AB,. Tìm MP để MA MB ? max Phương pháp Nếu A và B cùng phía so với P MAB,, thẳng hàng M AB  P Nếu A và B trái phía so với P thì tìm B ' là đối xứng của B qua P MA MB'' AB 16
17. 3. Dạng 3 M x;; y z Cho điểm MMM không thuộc các trục và mặt phẳng tọa độ. Viết phương trình P Ox,, Oy Oz ABC,, qua M và cắt 3 tia lần lượt tại sao cho VO. ABC nhỏ nhất? x y z Phương pháp P : 1 3xMMM 3 y 3 z .4. Dạng 4 Viết phương trình mặt phẳng P chứa đường thẳng d , sao cho khoảng cách từ điểm M d đến P là lớn nhất? Qua A d P :   Phương pháp n P u d,, AM u d .5. Dạng 5 Viết phương trình mặt phẳng P quaA và cách M một khảng lớn nhất ? QuaA Phương pháp P :   nP AM .6. Dạng 6 Viết phương trình mặt phẳng P chứa đường thẳng d , sao cho P tạo với ( không song song với d ) một góc lớn nhất là lớn nhất ? Qua A d  Phương pháp P : n P u d,, u u d .7. Dạng 7 Cho // P . Viết phương trình đường thẳng d nằm trong (P) song song với và cách một khoảng nhỏ nhất ? Phương pháp Qua A Lấy A , gọi A là hình chiếu vuông góc của A trên P thì d : . ud u 17
18. .8. Dạng 8 Viết phương trình đường thẳng d đi qua điểm A cho trước và nằm trong mặt phẳng P cho trước sao cho khoảng cách từ điểm M cho trước đến d là lớn nhất (AM không vuông góc với P ) ? Qua A d   Phương pháp d : ud n P , AM .9. Dạng 9 Viết phương trình đường thẳng d đi qua điểm A cho trước và nằm trong mặt phẳng P cho trước sao cho khoảng cách từ điểm M cho trước đến d là nhỏ nhất ( AM không vuông góc với P ) ? Qua A d    Phương pháp d : ud n P , AM, n P .10. Dạng 10 Viết phương trình đường thẳng d đi qua điểm AP cho trước, sao cho d nằm trong P và tạo với đường thẳng một góc nhỏ nhất ( cắt nhưng không vuông góc với P )? Phương pháp Qua A d d :    ud n P , AM, n P B. Bài tập trắc nghiệm. Câu 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxzy , cho mặt cầu ()S : x2 y 2 z 2 2 x 4 y 2 z 0 và điểm M (0;1;0) . Mặt phẳng ()P đi qua điểm M và cắt ()S theo đường tròn ()C có chu vi nhỏ nhất. Gọi N(,,) x0 y 0 z 0 là điểm thuộc đường tròn ()C sao cho ON 6 . Tính y0 . A. 2 B. 2 C. 1 D. 3 18
19. Câu 2. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho hai điểm A(2;1; 1) , B(0;3;1) và mặt   phẳng ()P : x y z 3 0. Tìm tọa độ điểm M thuộc ()P sao cho 2AM MB có giá trị nhỏ nhất. A. M ( 4;1;0) B. M ( 1; 4;0) C. M (4;1;0) D. M (1; 4;0) Câu 3. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , mặt phẳng ()P : ax by cz d 0 (với a2 b 2 x 2 0 ) đi qua hai điểm B(1;0;2), C( 1; 1;0) và cách A(2;5;3) một khoảng a b lớn nhất. Khi đó giá trị của biểu thức F là. c d A. 1 3 3 2 B. C. D. 4 2 7 Câu 4. Cho ()P là mặt phẳng qua điểm M (3;1;1) và cắt các trục Ox , Oy , Oz lần lượt tại A, B và C (khác điểm O ) sao cho thể tích tứ diện OABC có giá trị nhỏ nhất. Viết phương trình mặt phẳng ()P . A. x 3 y 2 z 8 0 C. 3z y z 3 0 B. x 3 y 3 z 9 0 D. x 3 y 3 z 0 Câu 5. Trong không gian Oxyz cho điểm A(1;3; 1) thuộc mặt phẳng ()P : 2x y z 4 0. Viết phương trình đường thẳng qua A, nằm trên ()P sao cho khoảng cách từ M (0;4;3) đến đạt giá trị lớn nhất. x 1 y 3 z 1 x 3 y 9 z 3 A. C. 1 3 1 1 3 1 x 1 y 3 z 1 x y 4 z 3 B. D. 3 9 3 1 3 1 Câu 6. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho điểm A(1;2; 3) và mặt phẳng ()P : 2x 2 y z 9 0. Đường thẳng d đi qua điểm A và có véctơ chỉ phương u(3;4; 4) cắt ()P tại B . Điểm M thay đổi trong ()P sao cho M luôn nhìn đoạn AB dưới một góc 90 . Khi độ dài đoạn MB lớn nhất, đường thẳng MB đi qua điểm nào trong các điểm sau? A. J ( 3;2;7) B. H ( 2; 1;3) 19
20. C. K(3;0;15) D. I ( 1; 2;3) Câu 7. Trong không gian Oxyz , cho mặt phẳng ()P : x y z 0 và hai điểm A(1;5; 3) , B(3; 3; 1). Điểm M thuộc mặt phẳng ()P sao cho MA2 MB 2 đạt giá trị nhỏ nhất. Tính chu vi tam giác ABM . A. 10 2 2 (đơn vị độ dài) C. 10 6 2 (đơn vị độ dài) B. 10 2 (đơn vị độ dài) D. 5 6 2 (đơn vị độ dài) Câu 8. Cho mặt cầu ()S : (x 2)2 ( y 1) 2 ( z 3) 2 9 và điểm M(;;) a b c di động trên ()S . Tìm giá trị lớn nhất của biểu thức P 2 a 2 b c 17 . A. 6 C. 7 B. 52 D. 25 Câu 9. Trong không gian Oxyz , cho mặt phẳng ()P : x 2 y 2 z 4 0 và hai điểm M (1;0;1) , N( 3;1;2) . Đường thẳng d đi qua M , song song với mặt phẳng ()P và khoảng cách từ N đến đường thẳng d nhỏ nhất có phương trình là. x 1 y z 1 x 1 y z 1 A. C. 4 9 7 32 1 17 x 1 y z 1 x 1 y z 1 B. D. 32 1 17 20 1 11 Câu 10. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho các điểm A( 1;1;6) , B( 3; 2; 4) , C(1;2; 1) và D(2; 2;0) . Gọi M(;;) a b c là điểm thuộc đường thẳng CD sao cho tam giác ABM có chu vi nhỏ nhất. Tính S a b c . A. S 1 B. S 1 C. S 2 D. S 2 Câu 11. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho hai điểm A(1;2; 1) , B(0;4;0) và mặt phẳng ()P có phương trình 2x y 2 2017 0 . Gọi ()Q là mặt phẳng đi qua hai điểm A, B vào tạo với mặt phẳng ()P góc nhỏ nhất bằng . Tính cos . 1 2 1 1 A. B. C. D. 9 3 6 3 20
21. Câu 12. Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz , cho mặt cầu ()S tâm I có phương trình (x 1)2 ( y 4) 2 ( z 2) 2 16. Các điểm A, B , C thuộc mặt cầu, I không thuộc mặt phẳng ()ABC . Giá trị lớn nhất của thể tích tứ diện ABCI là bao nhiêu? 8 16 4 32 A. B. C. D. 2 3 3 3 Câu 13. Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz , cho điểm A(3;5;3) và đường thẳng x 2 y z 2 : . Viết phương trình mặt phẳng ()P chứa sao cho khoảng cách từ 2 1 2 A tới mặt phẳng ()P lớn nhất. A. x 2 y z 3 0 C. x 4 y z 4 0 B. 2x y 2 z 15 0 D. x 2 y z 3 0 Câu 14. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , biết phương trình mặt phẳng () đi qua M (2;1;2) đồng thời cắt các tia Ox , Oy , Oz lần lượt tại A, B , C sao cho tứ diện OABC có thể tích nhỏ nhất. A. 2x y z 7 0 C. x 2 y z 1 0 B. x 2 y z 6 0 D. 2x y 2 z 1 0 Câu 15. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho lăng trụ đứng ABC. A B C có A( a ;0;0) , B( a ;0;0), C(0;1;0) , B ( a ;0; b ) với a , b dương thay đổi luôn thỏa mãn a b 4 . Khoảng cách lớn nhất giữa hai đường thẳng BC và AC là. 2 A. 1 B. 2 C. 2 D. 2 x 1 y 1 z Câu 16. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz cho đường thẳng d : , và 3 1 1 mặt phẳng ()P : 2x y 2 x 2 0 . Xét họ các mặt cầu ()S có tâm nằm trên đường thẳng d , đi qua A và tiếp xúc với mặt phẳng ()P . Phương trình của mặt cầu có bán kính nhỏ nhất là. A. (x 1)2 ( y 1) 2 z 2 1 B. (x 4)2 y 2 ( z 1) 2 1 21
22. C. (x 2)2 ( y 2) 2 ( z 1) 2 1 D. (x 3)2 ( y 1) 2 ( z 1) 2 1 Câu 17. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho hai điểm A(0;0;1) , B(1;1;0) và x 2 y 2 z 1 đường thẳng d : . Tìm phương trình của đường thẳng đi qua điểm 2 1 1 A vuông góc với đường thẳng d đồng thời cách điểm B một khoảng bé nhất. x t x t x 4 t x 2 t A. y 2 t B. y 4 t C. y t D. y t z 1 z 1 2 t z 1 7 t z 1 3 t Câu 18. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho A(1; 2; 5) , B(1;4;5) , C(1;4;3) và mặt phẳng ()P : 7x 5 y z 57 0 . Giả sử điểm M(;;) a b c nằm trên mặt phẳng ()P    sao cho MA MB MC đạt giá trị bé nhất. A. M ( 1;3; 1) C. M (3;3;1) B. M (1;2; 1) D. M (3;1; 1) Câu 19. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho hai điểm A(2;1; 1) , B(0;3;1) và mặt   phẳng ()P : x y z 3 0. Tìm tọa độ điểm M thuộc ()P sao cho 2MA MB có giá trị nhỏ nhất. A. M ( 4; 1;0) C. M (4;1;0) B. M ( 1; 4;0) D. M (1; 4;0) Câu 20. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho 3 điểm A(1;2;1) , B(2; 1;3) , C(3;2;2) và mặt phẳng ()P : x 2 y 2 z 7 0. Tìm tọa độ điểm M nằm trên mặt    phẳng ()P sao cho MA MB MC đạt giá trị bé nhất. A. M ( 1;3; 1) C. M (3;3;1) B. M (1;2; 1) D. M (3;1; 1) Câu 21. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho bốn điểm A(2;5;1) , B( 2; 6;2),   C(1;2; 1) , D(;;) d d d . Tìm d để DB 2 AC đạt giá trị nhỏ nhất. 22