phương trình mặt cầu

Cho điểm I cố định và một số thực dương R. Tập hợp tất cả những điểm M trong không gian cách I một khoảng R được gọi là mặt cầu tâm I, bán kính R. Kí hiệu: SIR ( ; ) ⇒= = S I R M IMCho điểm I cố định và một số thực dương R. Tập hợp tất cả những điểm M trong không gian cách I một khoảng R được gọi là mặt cầu tâm I, bán kính R. Kí hiệu: SIR ( ; ) ⇒= = S I R M IM

a +b + − >c d 0

• (S) có tâm I a b c ( ; ; )

• (S) có bán kính: R= a2+b2+ −c2 d

3/ Vị trí tương đối giữa mặt cầu và mặt phẳng :

Cho mặt cầu S I R ( ; ) và mặt phẳng ( )P Gọi H là hình chiếu vuông góc của I lên ( )P ⇒ d =IH là

khoảng cách từ I đến mặt phẳng ( )P Khi đó :

+ Nếu >d R : Mặt cầu và mặt

phẳng không có điểm chung + Nếu =

d R : Mặt phẳng tiếp xúc mặt cầu Lúc đó: ( )P là mặt phẳng

tiếp diện của mặt cầu và H là tiếp điểm

Lưu ý: Khi mặt phẳng (P) đi qua tâm I thì mặt phẳng (P) được gọi là mặt phẳng kính và thiết diện lúc đó

được gọi là đường tròn lớn

4/ Vị trí tương đối giữa mặt cầu và đường thẳng :

Cho mặt cầu S I R ( ; ) và đường thẳng ∆ Gọi H là hình chiếu của I lên ∆ Khi đó :

+ IH >R: ∆ không cắt mặt

cầu

+ IH =R: ∆ tiếp xúc với mặt cầu

∆ là tiếp tuyến của (S) và H là tiếp điểm

+ IH <R: ∆ cắt mặt cầu tại hai điểm phân biệt

R I

H P

d

r I' α

Cho điểm I cố định và một số thực dương R Tập hợp tất cả

những điểm M trong không gian cách I một khoảng R được gọi

là mặt cầu tâm I, bán kính R

Kí hiệu: S I R( ; )⇒S I R( ; ) {= M IM/ =R}

* Lưu ý: Trong trường hợp ∆ cắt (S) tại 2 điểm A, B thì bán kính R của (S) được tính như sau:

ĐƯỜNG TRÒN TRONG KHÔNG GIAN OXYZ

* Đường tròn (C) trong không gian Oxyz, được xem là giao tuyến của (S) và mặt phẳng( )α

5/ Điều kiện tiếp xúc : Cho mặt cầu (S) tâm I, bán kính R

+ Đường thẳng ∆ là tiếp tuyến của (S) ⇔ d I( );∆ =R

+ Mặt phẳng( )α là tiếp diện của (S) ⇔ d I( ;( )α )=R

* Lưu ý: Tìm tiếp điểm M0(x y z0; 0; 0)

Δ

Bài tập 1 : Viết phương trình mặt cầu (S), trong các trường hợp sau:

Bài tập 2 : Viết phương trình mặt cầu (S) , trong các trường hợp sau:

a) (S) qua A(3;1; 0 , 5;5; 0) (B ) và tâm I thuộc trục Ox

a) Cách 1: Gọi I x y z ( ; ; ) là tâm mặt cầu (S) cần tìm

Theo giả thiết:

Theo giả thiết: ( ( ) ) ( ( ) ) 1 5 1 5

Gọi I(−t; 2t−1;t+ ∈2) d : là tâm của mặt cầu (S) và R là bán kính của (S)

Theo giả thiết : ( ( ) ) 2

I và cắt d tại hai điểm A, B sao cho ∆IAB vuông tại I

(S) có tâm I(2; 2; 2 ,) bán kính R=2 3 Nhận xét: điểm O và A cùng thuộc (S)

Tam giác OAB đều, có bán kính đường tròn ngoại tiếp / 4 2

=OA=

c Theo (*), suy ra ( )P :x− + =y z 0 hoặc x− − =y z 0.

Chú ý: Kỹ năng xác định tâm và bán kính của đường tròn trong không gian

Cho mặt cầu (S) tâm I bán kính R Mặt phẳng (P) cắt (S) theo một đường tròn (C)

Bước 1: Lập phương trình đường thẳng d qua I và vuông góc với mặt phẳng (P)

Bước 2: Tâm I’ của đường tròn (C) là giao điểm của d và mặt phẳng (P)

Bước 3: Gọi r là bán kính của (C): ( ( ) ) 2

Ta có : d(I P,( ) )= < = ⇔1 2 R mặt phẳng (P) cắt (S) theo giao tuyến là 1 đường tròn (đ.p.c.m)

* Đường thẳng d qua I(1; 0; 0) và vuông góc với (P) nên nhận  =(1; 0; 0)

P

n làm 1 vectơ chỉ phương, có phương trình

0 2; 0; 00

z

z x

+ Ta có: d I( ,( )P )=1 Gọi r là bán kính của (C), ta có : 2 ( ( ) ) 2

r= R −d I P  =

Dạng 2 : SỰ TƯƠNG GIAO VÀ SỰ TIẾP XÚC

Phương pháp: * Các điều kiện tiếp xúc:

+ Đường thẳng ∆là tiếp tuyến của (S)⇔ d I( );∆ =R

+ Mặt phẳng( )α là tiếp diện của (S) ⇔ d I( ;( )α )=R

* Lưu ý các dạng toán liên quan như tìm tiếp điểm, tương giao

Bài tập 1: Cho đường thẳng ( ) 1 2

A 0.B.1.C.2.D.3

Bài giải:

Đường thẳng( )∆ đi qua M(0;1; 2)và có một vectơ chỉ phương là =(2;1; 1− )

172

d và điểm I(4;1; 6) Đường thẳng d cắt mặt cầu ( )S có tâm

I , tại hai điểm A, B sao cho AB=6 Phương trình của mặt cầu ( )S là:

182

d Phương trình mặt cầu ( )S có tâm I

và cắt đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho tam giác IAB đều là:

A ( )2 2 2 20

3+ + + =

Lựa chọn đáp án A

Bài tập 9: Cho mặt cầu 2 2 2

( ) :S x +y +z −4x−2y−6z+ =5 0 Viết phương trình tiếp tuyến của mặt cầu

a) Đường thẳng d qua A(0; 0;5)và có một vectơ chỉ phương u=(1; 2; 2), có phương trình d: 2

Kết luận: Vậy tồn tại 2 mặt phẳng là : − − +2x y 2z+ =7 0, −2x− +y 2z−17=0

Bài tập 11: Viết phương trình tiếp diện của mặt cầu ( ) 2 2 2

: + + +2 −4 −6 + =5 0

a) qua M(1;1;1)

b) song song với mặt phẳng (P) : x+2y−2z− =1 0

b) vuông góc với đường thẳng : 3 1 2



m m

* Với m= −6 suy ra mặt phẳng có phương trình : 2x+ y−2z− =6 0

* Với m=12 suy ra mặt phẳng có phương trình : 2x+ y−2z+12=0.

c) Đường thẳng d có một vectơ chỉ phương là  =(2;1; 2− )

m m

* Với m= −3 suy ra mặt phẳng có phương trình : 2x+ y−2z− =3 0

* Với m=15 suy ra mặt phẳng có phương trình : 2x+ y−2z+15=0

: 4+ + − =0

S x y z và 4 điểm M(1; 2; 0 , 0;1; 0 , ) (N ) P(1;1;1), Q(1; 1; 2− )

Trong bốn điểm đó, có bao nhiêu điểm không nằm trên mặt cầu ( )S ?

Câu 21 Mặt cầu ( )S tâm I(−1; 2; 3− ) và tiếp xúc với mặt phẳng ( )P :x+2y+2z+ =1 0 có phương

C ( ) (2 ) (2 )2 4

3+ + − + + =

3+ + − + + =

d và điểm A(5; 4; 2− ) Phương trình mặt cầu đi qua điểm

A và có tâm là giao điểm của d với mặt phẳng (Oxy là: )

Câu 28 Cho ba điểm A(2; 0;1 ,) (B 1; 0; 0 ,) (C 1;1;1)và mặt phẳng ( )P :x+ + − =y z 2 0 Phương trình mặt

cầu đi qua ba điểm A B C, , và có tâm thuộc mặt phẳng ( )P là:

A − là:

4 7+ + − =

x y z

B 2 2 ( )2 2

17+ + − =

2 7+ + + =

x y z

7+ + =

4 7+ + − =

7+ + =

1 7+ + − =

d và điểm I(4;1; 6) Đường thẳng d cắt mặt cầu ( )S tâm

I tại hai điểm A, B sao cho AB=6 Phương trình của mặt cầu ( )S là:

A (x−4)2+(y−1)2+ −(z 6)2 =18 B (x−4)2+(y−1)2+ −(z 6)2 =12

C (x−4)2+(y−1)2+ −(z 6)2 =16 D (x−4)2+(y−1)2+ −(z 6)2 =9

Câu 40 Cho hai mặt phẳng ( )P , ( )Q có phương trình ( )P :x−2y+ − =z 1 0 và ( )Q : 2x+ − + = y z 3 0.

Mặt cầu có tâm nằm trên mặt phẳng ( )P và tiếp xúc với mặt phẳng ( )Q tại điểm M, biết rằng

M thuộc mặt phẳng (Oxy ) và có hoành độ x M =1, có phương trình là:

D ( ) (2 ) (2 )2 1

3+ + − + + =

3+ + − + + =

Câu 48 Cho điểm A(2;5;1) và mặt phẳng ( ) : 6P x+3y−2z+24=0, H là hình chiếu vuông góc của A

trên mặt phẳng ( )P Phương trình mặt cầu ( )S có diện tích 784π và tiếp xúc với mặt phẳng ( )P tại H, sao cho điểm A nằm trong mặt cầu là:

Câu 49 Cho mặt phẳng ( )P : 2x+ − + =y z 5 0 và các điểm A(0; 0; 4 , 2; 0; 0) (B ) Phương trình mặt cầu

đi qua O A B, , và tiếp xúc với mặt phẳng ( )P là:

Câu 50 Cho mặt phẳng ( )P :x+2y−2z+ =2 0 và điểm A(2; 3; 0− ) Gọi B là điểm thuộc tia Oy sao

cho mặt cầu tâm B, tiếp xúc với mặt phẳng ( )P có bán kính bằng 2 Tọa độ điểm B là:

A.(0;1; 0 ) B.(0; 4; 0 − ) C.(0; 2; 0 ) hoặc (0; 4; 0 − ) D.(0; 2; 0 )

Câu 51 Cho hai mặt phẳng ( ) : 2P x+3y− + =z 2 0, ( ) : 2Q x− − + =y z 2 0 Phương trình mặt cầu ( )S

tiếp xúc với mặt phẳng ( )P tại điểmA(1; 1;1− ) và có tâm thuộc mặt phẳng ( )Q là:

Phương trình mặt cầu (S) có tâm I và cắt

đường thẳng d tại hai điểm A B, sao cho tam giác IAB vuông là:

3 2+ + − =

3 3+ + − =

x y z

3 3+ + − =

3 3+ + − =

d Phương trình mặt cầu ( )S có tâm I

và cắt đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho AB=4 là:

và cắt đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho AB=6 là:

Câu 58 Cho điểm I(1; 0; 0)và đường thẳng : 1 1 2

1 2 1

− = − = +

d Phương trình mặt cầu ( )S có tâm I

và cắt đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho tam giác IAB vuông là:

Phương trình mặt cầu ( )S có tâm I và cắt

đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho tam giác IAB đều là:

Phương trình mặt cầu ( )S có tâm I và

cắt đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho tam giác IAB vuông là:

và cắt đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho tam giác IAB đều là:

d Phương trình mặt cầu ( )S có tâm I

và cắt đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho  30= o

nào sau đây thuộc mặt cầu (S):

A (2;1;1 ) B (2;1; 0 ) C. (2; 0; 0 ) D (1; 0; 0 )

Điểm nào sau đây không thuộc mặt cầu (S):

d Phương trình mặt cầu có tâm I và cắt

đường thẳng d tại hai điểm A, B sao cho tam giác diện tích tam giác IAB bằng 2 6015 là:

điểm A, B và tâm thuộc trục hoành có đường kính là:

hai điểm A, B và tâm thuộc đường thẳng d thì tọa độ tâm là:

d Mặt cầu  S đi qua hai

điểm A, B và tâm thuộc đường thẳng d thì tọa độ tâm của  S là:

hai điểm A, B và tâm thuộc đường thẳng d thì tọa độ tâm  S là:

Phương trình mặt cầu có đường kính là đoạn thẳng vuông góc

chung của đường thẳng d và trục Ox là:

và

'

' : 3 '0

Phương trình mặt cầu có đường kính là đoạn

thẳng vuông góc chung của đường thẳng d và d’ là:

1169

967.2

Câu 82 Cho các điểm A(2; 4; 1− ) và B(0; 2;1− ) và đường thẳng

Gọi ( )S là mặt cầu đi

qua A, B và có tâm thuộc đường thẳng D Đường kính mặt cầu ( )S bằng:

là phương trình của mặt cầu đối xứng với mặt cầu (S) qua mặt phẳng (Oxy):

x y z Phương trình mặt cầu nào sau đây là phương

trình mặt cầu đối xứng với mặt cầu (S) qua trục Oz: