Bài toán này vô nghiệm vì KH Ox||... Làm ngược lại của hai trường hợp trên câu 1... Cần rút gọn tổng MAuuur3MBuuur 4MCuuuur thành một vecto MHuuuur.. Khi đó MAuuur3MBuuur 4MCuuuur
Trang 1GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
ÔN THI ĐẠI HỌC HÌNH HỌC GIẢI TÍCH NĂM 2012
A.Lí Thuyết :
− Công thức tính góc giữa hai đường thẳng 1 2
1 2
u u c
u u
uur uur uur uur
os trong đó u uuur uur1, 2 lần
lượt là hai VTCP của hai đường thẳng
− Công thức tính góc giữa đường thẳng và mặt phẳng sin .
n u
u u
r r
r r trong đó
,
n ur r lần lượt là hai VTPT và VTCP của mặt phẳng và đường thẳng
− Công thức tính góc giữa hai đường thẳng 1 2
1 2
n n c
n n
uur uur uur uur
os trong đó n nuur uur1, 2 lần
lượt là hai VTPT của hai mặt thẳng
− Công thức tính khoảng cách giữa hai điểm A x( A;y A;z A); (B x B;y B;z B)
AB= x -x B A2+ y -y B A2+ z -z B A2
− Khoảng cách từ điểm M0(x0;y0z0) đến mặt phẳng () có phương trình
Ax +By +Cz +D
d M ,(α) =
A +B +C
− Khoảng cách từ điểm M1 đến đường thẳng đi qua M0 và có vectơ chỉ
phương uur là: d(M ,Δ)=1
M M ,u
0 1 u
uuuuuuuur ur ur
− Khoảng cách giữa hai đường thẳng và ’, trong đó đi qua điểm M0, có vectơ chỉ phương ur và đường thẳng ’ đi qua điểm '
0
M , có vectơ chỉ phương u'ur là:
'
0 0
u,u' M M
d( ,Δ')=
u,u'
uuuuuur
r ur
r ur
− Công thức tính diện tích hình bình hành : SABCD= AB,AD uuur uuur
− Công thức tính diện tích tam giác : SABC=1 AB,AC
2
uuur uuur
− Công thức tính thể tích hình hộp : VABCD.A'B'C'D'= AB,AD AA'
uuur uuur uuur
− Công thức tính thể tích tứ diện : VABCD=1 AB,AC AD
6 uuur uuur uuur
Chú ý :
Các công thức tính góc nêu trên có điều kiện : 0 ,
2
Trang 2GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
B.VÍ DỤ :
Ví dụ 1: Cho đường thẳng :
d và hai điểm A0; 0;3, B0;3;3 Tìm tọa độ điểm M d sao cho:
1) MAMB nhỏ nhất
2) MA22MB2 nhỏ nhất
3) MAuuur3MBuuur nhỏ nhất
4) MA MB lớn nhất
Hướng dẫn:
1) Chuyển p/trình của d sang dạng tham số :
x t
z t
Gọi tọa độ của M d có dạng M t t t ; ; , t ¡
Ta có PMA MB 0t20t23t2 0t23t2 3t2
P t t t t 3 t22t 3 t24t6
P t t
Trong mặt phẳng Oxy xét các điểm N t ;0Ox; H1; 2 ; K 2; 2
Gọi H 1; 2 là điểm đối xứng của điểm H1; 2 qua trục Ox
Ta có P 3NH NK= 3 NH NK 3H K
Dấu “=” xảy ra H N K, , thẳng hàng N H K Ox
Đường thẳng H K có vecto chỉ phương H Kuuuur 1; 2 2 nên có vecto pháp tuyến n r 2 2; 1 và đi qua H 1; 2 nên có phương trình tổng quát
2 2 x1 1 y 2 02 2xy3 2 0
Tọa độ giao điểm N của đường thẳng H K và trục Ox là nghiệm của hệ
3
2
x
x y
Vậy 3; 0
2
N
Vậy minP 3H K 3 122 22 3 3
Đạt được khi ;0 3;0 3
N t N t
Suy ra MAMB nhỏ nhất bằng 3 3 khi 3 3 3; ;
2 2 2
M
Trang 3GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
Cách 2:
Làm như cách 1, đến đoạn P 3 t122 t222
Xét hàm số f t t12 2 t222
Ta có
f t
0
f t
2 1
t t
(*)
Xét hàm số
2 2
u
g u
u
,
Ta có
2
2
2
u
u
nên hàm số g đồng
biến trên ¡
2
g t g t t t t Bảng biến thiên của hàm số f :
f t
3
Từ bảng biến thiên suy ra min 3 3
2
f t f
Vậy minMA MB 3 3 đạt được tại 3
2
t , tức là 3 3 3; ;
2 2 2
M
Cách 3:
Bước 1 : Tìm tọa độ H và H’
Bước 2 : Tính AH và BH’
'
AH
BH
uuuur uuuuur
=>ycbt
Trang 4GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
2) Làm tương tự câu 1), ta tính được
2 2 2 3 2 6 9 2 3 2 12 18
QMA MB t t t t 9t230t45
Biểu thức này là tam thức bậc hai với hệ số a 90 nên đạt giá trị nhỏ nhất
2.9 3
t Tức là 5 5 5; ;
2 2 2
M
Nhận xét: nếu không nhớ tính chất về đồ thị bậc hai thì có thể khảo sát hàm số
f t t t để tìm giá trị hỏ nhất
3) Theo câu 1) , gọi M t t t ; ;
Ta có MAuuur t; t;3t, MBuuur t;3t;3t
Suy ra MAuuur2MBuuur t 2 t ; t 2 3 t;3 t 2 3 t t t; 6;t3
2
Dấu “=” xảy ra t 3 0 t 3 hay M3;3;3
Vậy min MAuuur 2MBuuur 3 2 đạt được tại M3;3;3
Nhận xét: nếu không phân tích được MAuuur2MBuuur 3t3218 thì có thể khảo sát hàm số 2
f t t t để tìm giá trị nhỏ nhất
MA MB t t t t
MA MB t t
Trong mặt phẳng Oxy xét các điểm N t ;0Ox; H1; 2 ; K 2; 2
Khi đó MA MB 3 NHNK
Nhận thấy H, K nằm cùng phía so với trục Ox
Suy ra MA MB 3 NHNK 3HK
Bài toán này vô nghiệm vì KH Ox||
Cách 2: Khảo sát hàm số như cách 2 ở câu 1 Hàm số không có GTLN
Ví dụ 2: Cho mặt phẳng P :x y z 40 Tìm điểm M P sao cho:
1) MA MB nhỏ nhất, biết A1;0;0, B1; 2;0
2) MA MB lớn nhất, biết A1; 2;1, B0;1; 2
3) MA23MB2 nhỏ nhất, biết A1; 2;1, B0;1; 2
4) MA23MB2 2MC2 nhỏ nhất, biết A1; 2;1, B0;1; 2, C0; 0;3
5) MAuuur3MBuuur 4MCuuuur nhỏ nhất, biết A1; 2;1, B0;1; 2, C0; 0;3
Trang 5GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
Hướng dẫn :
1) Cách giải
Xét vị trí tương đối của A, B so với (P)
Đặt f x y z ; ; xy z 4
Thay tọa độ của A, B vào và tính f x A;y A;z A .f x B;y B;z B
- Nếu f x A;y A;z A .f x B;y B;z B0 thì A, B ở hai phần không gian khác nhau
ngăn cách bởi (P)
- Nếu f x A;y A;z A .f x B;y B;z B0 thì A, B ở cùng phía so với (P)
Nếu A, B ở khác phía so với (P) thì với M P tùy ý ta có
MA MB AB Suy ra min MA MB AB đạt được khi M AB P
- Viết p/trình đường thẳng AB
- Tìm giao điểm M của AB P (Giải hệ p/trình của AB và (P))
- Kết luận
Nếu A, B ở trong cùng phía so với (P) , ta lấy điểm A đối xứng với A qua (P)
Khi đó MAMAMA MB MAMBA B
min MA MB A B
đạt được khi M A B P
Tính tọa độ A:
- Viết phương trình đường thẳng d qua A và d P
- Giải hệ d ; P tìm được tọa độ của H d P là hình chiếu vuông góc
của A trên (P)
- H là trung điểm của A A Biết tọa độ của A H, suy ra tọa độ của A
Viết p/trình đường thẳng A B
Giải hệ A B P ; tìm được tọa độ của M A B P
2) Làm ngược lại của hai trường hợp trên câu 1
Nếu A, B ở trong cùng phía so với (P) thì MA MB AB
Nếu A, B ở trong cùng phía so với (P), ta lấy điểm A đối xứng với A qua (P)
Khi đó MAMA MA MB MAMB A B
Cách làm mỗi trường hợp như câu 1
3) Xét điểm I tùy ý, ta có MA2 MAuuur2 MIuuuruurIA2 MIuuur2IAuur2 2MI IAuuur uur
MB MBuuur MIuuurIBuur MIuuur uurIB MI IBuuur uur
A
B
M
A’
B
M
A
H
Trang 6GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
MA MB MIuuur IAuur MI IAuuur uur MIuuur IBuur MI IBuuur uur
uuur uur uur uuur uur uur
Giả sử IAuur2IBuur 0r IAuur 2uurIB , ta có tọa độ của I là:
x
I y
z
Hay 1 4 5; ;
3 3 3
I
Vậy, với 1 4 5; ;
3 3 3
I
, ta có IAuur2uurIB0r nên MA2 2MB2 3MI2IA22IB2
Do I cố định nên IA IB2, 2 không đổi Vậy MA2 2MB2 nhỏ nhất MI2 nhỏ nhất
MI
nhỏ nhất M là hình chiếu của I trên (P)
Đường thẳng d qua 1 4 5; ;
3 3 3
I
và vuông góc với (P) nhận vecto pháp tuyến
1;1;1
n r của (P) làm vecto chỉ phương nên có p/trình
1 3 4
5 3
- Tọa độ giao điểm H của d P là: 5 14 17; ;
9 9 9
H
- H là hình chiếu của I trên (P)
Vậy M là hình chiếu của I trên (P) nên M H
Kết luận: MA22MB2 nhỏ nhất khi 5 14 17; ;
9 9 9
M
4) Làm tương tự câu 3)
5) Cần rút gọn tổng MAuuur3MBuuur 4MCuuuur thành một vecto MHuuuur
Khi đó MAuuur3MBuuur 4MCuuuur MHuuuur MH nhỏ nhất M là hình chiếu của H trên
(P)
Làm như câu 3)
Bằng cách phân tích MAuuur3MBuuur 4MCuuuur MIuuurIAuur3MIuuurIBuur 4 MIuuuruurIC
8MI IA 3IB 4IC
uuuruur uur uur
Đến đây chỉ việc tìm tọa độ điểm I sao cho IAuur3uurIB4ICuur 0r rồi làm tiếp theo hướng dẫn trên
Trang 7GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
8
IA IB IC OI OA OB OC
uur uur uur r uur uuur uuur uuur
Suy ra tọa độ của I là
1
8 1
8 1
8
d Lập phương trình mặt phẳng ( ) chứa d sao cho khoảng cách từ A(2;5;3) tới ( ) là lớn nhất
Hướng dẫn :
1) Phương trình mặt phẳng ( ) chứa d có VTPT : n A B C Ar( ; ; ), 2B2 C2 0 có dạng :
A x( 1)ByC z( 2)0
Ta có : d ( ) u nuur uurd 0 B 2A2C
=>
2
d A
− TH1: Nếu C = 0
( ,( )) 9
5
d A
− TH1: Nếu C 0 ,Đặt t A
C
2 2
( 1)
t
Xét hàm số
2 2
( 1) ( )
t
f t
=> f t'( )0 t 1 ; ( 1) 0; (1) 2
9
lim ( ) 1
5
Lập bảng biến thiên => ( ) 2
5
Maxf t tại t =1 Vậy Maxd(A,( )) 3 2 khi A 1
C
So sánh TH1 và TH2 : ycbt <=>A=C và B=−4C => Phương trình mặt phẳng cần tìm là : x - 4y + z – 3 = 0
Nhận xét :
− Có thế mở rộng ra các bài toán như sau :
+) Lập phương trình mặt phẳng ( ) chứa d sao cho khoảng cách từ A tới ( )
là nhỏ nhất hoặc khoảng cách đó là hằng số
− Có thể sử dụng hình học thuần túy để làm bài này
Trang 8GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
(Q): x + 2y +2z – 3 =0 Lập phương trình mặt phẳng (P) chứa d sao cho
1) Góc giữa hai mặt phẳng (Q) nhỏ nhất
2) Góc giữa mặt phẳng (P) và đường thẳng d’ lớn nhất
Hướng dẫn :
1) Phương trình mặt phẳng ( ) chứa d có VTPT : n A B C Ar( ; ; ), 2B2 C2 0 có dạng :
A x( 1)B y( 2)Cz0
Ta có : d ( ) u nuur uurd 0C A2B
Gọi góc giữa hai mặt phẳng là , (0 )
2
=>
2
c
os
− TH1: Nếu B = 0
( ) 2
2
cos (1)
− TH2: Nếu B 0 ,Đặt t A
B
2 2
( 2) ( )
t c
os
Xét hàm số
2 2
( 2) ( )
t
f t
=> ( ) 5
6
Maxf t tại t =1 hay 1
2
A
B Vậy
0;
2
30 6
M
ax cos (2)
So sánh TH1 và TH2 => min 30
6
cos với 1
2
A
B
=> Phương trình mặt phẳng cần tìm là : x + 2y + 5z + 3 = 0
2) Phương trình mặt phẳng ( ) chứa d có VTPT : n A B C Ar( ; ; ), 2B2 C2 0 có dạng :
A x( 1)B y( 2)Cz0
Ta có : d ( ) u nuur uurd 0C A2B
Gọi góc giữa mặt phẳng (P) và đường thẳng d’ là : , (0 )
2
=>
2
− TH1: Nếu B = 0
( ) 2 2
3
Trang 9GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
− TH2: Nếu B 0 ,Đặt t A
B
2 2
t
sin
Xét hàm số
2 2
(4 3) ( )
t
f t
=> ( ) 25
7
Maxf t tại t =-7 hay A 7
B Vậy
0;
2
5 3 sin
9
M
ax
So sánh TH1 và TH2 => m 5 3
9
ax sin với A 7
B
=> Phương trình mặt phẳng cần tìm là : 7x - y + 5z - 9 = 0
Nhận xét :
− Có thế mở rộng ra các bài toán như sau :
+) Lập phương trình mặt phẳng ( ) chứa d sao cho góc giữa hai mặt phẳng
hoặc góc giữa đường thẳng và mặt phẳng thỏa mãn một điều kiện nào đấy − Có thể sử dụng hình học thuần túy để làm bài này
Ví dụ 5: Cho mặt phẳng ( ) :P x3y z 1 0 Và các điểm A(1;0; 0);B(0; 2;3) Lập phương trình đường thẳng d nằm trong (P) đi qua A và cách B một khoảng lớn nhất , nhỏ nhất
Hướng dẫn :
Gọi VTCP của đường thẳng d là: u a b c ar( ; ; ), 2b2 c2 0
d ( )P u nuur uurd P 0ca2b
uuurAB ( 1; 2; 3) ; uuur uuurd,AB ( 2a7 ; 2b a2 ; 2b ab)
=>
( , )
d
d
d B d
u
uur uuur uur
− TH1: Nếu b = 0
d B d ( , ) 6
− TH2: Nếu b 0 ,Đặt t a
b
2 2
2 2
( )
f t
=> 6d B d( , ) 14
So sánh TH1 và TH2 => 6d B d( , ) 14
+) Min d B d( ( , )) 6 b0 chọn a =1 => c= 1
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là :
1 0
y
z t
+) Max( ( , ))d B d 14 a b chọn b = -1 => a =1 , c =-1
Trang 10GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là :
1
y t
z t
Nhận xét :
− Có thế mở rộng ra các bài toán như sau :
+) Lập phương trình đường thẳng d nằm trong (P) đi qua A và cách B một
khoảng thỏa mãn một điều kiện nào đấy
− Có thể sử dụng hình học thuần túy để làm bài này
Ví dụ 6: Lập phương trình đường thẳng d đi qua A (1;-1;2),song song với mặt
phẳng ( ) : 2Q xy z 3 0,đồng thời d tạo với đường thẳng ': 1 1
một góc lớn nhất , nhỏ nhất
Hướng dẫn :
Gọi VTCP của đường thẳng d là: u a b c ar( ; ; ), 2b2 c2 0
d / /( )P u nuur uurd Q 0c2a b ; '(1; 2; 2)
d
uur
Gọi góc giữa hai mặt phẳng là , (0 )
2
=>
2
c
os
− TH1: Nếu b = 0
( ) 1 5
3
cos
− TH2: Nếu b 0 ,Đặt t a
b
2 2
t
2 2
(5 4) ( )
t
f t
=> 0 ( ) 5 3
9
c
So sánh TH1 và TH2 =>0 ( ) 5 3
9
c
os
+) Min c( os( )) 0 => 900 4
5
m
a b
ax
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là : 1 1 2
x y z
+) ( ( )) 5 3
9
Max osc => min 1
5
a b
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là : 1 1 2
x y z
Nhận xét :
− Có thế mở rộng ra các bài toán như sau :
Trang 11GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
+) Lập phương trình đường thẳng d đi qua A ,song song với mặt phẳng
( )Q ,đồng thời d tạo với đường thẳng d' một góc thỏa mãn một điều kiện nào đấy
− Có thể sử dụng hình học thuần túy để làm bài này
Ví dụ 7: Lập phương trình đường thẳng d đi qua A(0; 1; 2) và cắt đường thẳng
:
sao cho 1) Khoảng cách từ B(2;1;1) là lớn nhất , nhỏ nhất
2) Khoảng cách giữ d va : 1 2
x y z
là lớn nhất
Hướng dẫn :
1) dd'M M( 1 2 ; ; 2 t t t t), R
=> VTCP của d : uuurd uuuurAM(2t1;t 1; t)
uuurAB(2; 2; 1) ; uuur uurAB u; d (1t;1; 4 2 ) t
=>
2 2
d
d
u
uuur uur uur
Xét hàm số
2 2
( )
f t
=> ( ) (0) 18; ( ) (2) 1
11
Maxf t f Min tf f
=> 1 ( , ) 18
11d B d
11
Min d B d t
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là :
3
1 3
2 2
x t
+) Max( ( , ))d B d 18 t 0
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là : 1
2
2) dd'M M( 1 2 ; ; 2 t t t t), R
=> VTCP của d : uuurd uuuurAM(2t1;t 1; t)
Từ phương trình => uuur (2; 2;1) và N (5;0; 0)
uuurAN(5;1; 2) ; u uuur uur; d (t1; 4t1; 6 )t
=>
2 2
,
d
d
u u
uur uur uuur uur uur
Xét hàm số
2 2
(2 ) ( )
t
f t
=> ( ) ( 4 ) 26
Maxf t f
Trang 12GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
=> max( ( , ))d d 26
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là :
29
1 41
2 4
Nhận xét :
− Có thế mở rộng ra các bài toán trên thỏa mãn một điều kiện nào đấy cho trước − Có thể sử dụng hình học thuần túy để làm bài này
Ví dụ 8: Lập phương trình đường thẳng d đi qua A (-1;0;-1)và cắt đường thẳng
:
sao cho góc giữa đường thẳng d và
:
x y z
là lớn nhất , nhỏ nhất
Hướng dẫn :
dd M M t t t tR
=> VTCP của d : uuurd uuuurAM(2t2;t2; 1 t)
Gọi góc giữa hai mặt phẳng là , (0 )
2
=>
2 2
t
os
Xét hàm số
2 2 ( )
t
f t
=> ( ) ( 9) 9
Maxf t f ;Min tf( ) f(0)0
+) Min c( os( )) 0 => max 900 t 0
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là : 1 1
x y z
+) ( ( )) 2 5
5
Max osc => min 9
7
t
=> Phương trình đường thẳng cần tìm là : 1 1
x y z
Nhận xét :
− Có thế mở rộng ra các bài toán như sau :
+) Có thế mở rộng ra các bài toán trên thỏa mãn một điều kiện nào đấy cho
trước
− Có thể sử dụng hình học thuần túy để làm bài này
Trang 13GV: Ngô Quang Nghiệp BT3
C.Bài Tập
Bài 1 : Trong không gian tọa độ Oxyz cho mặt phẳng (α) : x − y + z − 1 = 0 và
các điểm A (1 ; 2 ;−1) , B (1 ; 0 ; −1) , C (2 ;1 ; −2) Tìm điểm M thuộc mặt
phẳng (α) sao cho MA2 + MB2 − MC2 nhỏ nhất
ĐS : M ( 2
3 ;
1
3 ;
2
3 )
Bài 2 : Trong không gian tọa độ Oxyz cho mặt phẳng (α) : x − 3y + 3z − 11 = 0
và các điểm A ( 3 ; −4 ; 5 ) , B (3 ; 3 ; −3) Tìm điểm M thuộc mặt phẳng (α) sao cho
|MA−MB lớn nhất |
ĐS : M ( −31
7 ; −
5
7 ;
31
7 )
Bài 3 : Cho đường thẳng :
x+y−z−1=0 2x−y−1=0 và hai điểm A(2 ; −1 ; 1) , B(1 ;−1;0) Tìm điểm M thuộc đường thẳng để diện tích tam giác AMB đạt giá trị nhỏ nhất
ĐS : M ( 1
6 ; −
2
3 ; −
3
2 )
Bài 4 : Trong các mặt phẳng đi qua các điểm A (1 ; 2 ;−1) , B(−1 ; 1 ;2) Viết
phương trình mặtphẳng (α) tạo với mặt phẳng (xOy) một góc nhỏ nhất
ĐS : 6x + 3y + 5z − 7 = 0
Bài 5 : Cho đường thăng :
x+y+z−1=0 x−y+z−1=0 và các điểm A(2 ; 1 ; −1) ,B(−1 ; 2 ; 0) Trong các đường thẳng đi qua B và cắt đường thẳng , viết phương trình
đường thẳng sao cho khoảng cách từ A tới nó là lớn nhất ? bé nhất ?
ĐS : Lớn nhất :
x+1=0 y+z−2=0 ; nhỏ nhất :
x+2y−3=0 y−z−2=0
Bài 6 : Trong không gian tọa độ Oxyz , viết phương trình mặt phẳng (α) đi qua
điểm A(1;2;4) và cắt chiều dương của các trục tọa độ Ox , Oy , Oz lần lượt tại
M , N ,P Khác gốc tọa độ sao cho tứ diện OMNP có thể tích nhỏ nhất
ĐS : x
3 +
y
6 +
z
12 =1
Bài 7 : Trong không gian tọa độ Oxyz , viết phương trình mặt phẳng (α) đi qua
điểm M(1;2;3) và cắt các trục tọa độ Ox , Oy , Oz lần lượt tại A,B,C sao cho 1
OA2 +
1
OB2 +
1
OC2 nhỏ nhất
ĐS : x + 2y + 3z − 14 = 0
Bài 8 : Trong không gian tọa độ Oxyz , viết phương trình mặt phẳng (α) đi qua
điểm M(2;5;3) và cắt chiều dương của các trục tọa độ Ox , Oy , Oz lần lượt tại
A , B ,C sao cho OA + OB +OC nhỏ nhất
2+ 6+ 10 +
y 5+ 10+ 15 +
z 3+ 6+ 15 = 1
Bài 9 : Cho mặt phẳng (α) : x-y+2z = 0 và các điểm A(1;2;-1),B(3;1;-2),
C(1;-2;1)