Phân loại và phương pháp giải bài tập vecto trong không gian

Nếu từ một điểm bất kì ta vẽ , , thì có thể xả ra hai trường hợp: Trường hợp các đường thẳng , , không cùng nằm trong một mặt phẳng, khi đó ta nói rằng vectơ , , không đồng phẳng.. Trườ

BÀI 1 VECTO TRONG KHÔNG GIAN

A KIẾN THỨC CƠ BẢN CẦN NẮM

I – ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC PHÉP TOÁN VỀ VECTƠ TRONG KHÔNG GIAN

Cho đoạn thẳng trong không gian Nếu ta chọn điểm đầu là , điểm cuối là ta có một vectơ, được kí hiệu là

II – ĐIỀU KIỆN ĐỒNG PHẲNG CỦA BA VECTƠ

1 Khái niệm về sự đồng phẳng của ba vectơ trong không gian

Trong không gian cho ba vectơ , , đều khác vectơ – không Nếu từ một điểm bất kì ta vẽ , , thì có thể xả ra hai trường hợp:

Trường hợp các đường thẳng , , không cùng nằm trong một mặt phẳng, khi đó ta nói rằng vectơ , , không đồng phẳng

Trường hợp các đường thẳng , , cùng nằm trong một mặt phẳng thi ta nói ba vectơ , , đồng phẳng

Trong trường hợp này giá của các vectơ luôn luôn song song với một mặt phẳng

a) Ba vectơ , , không đồng phẳng b) Ba vectơ , , đồng phẳng

Chú ý Việc xác định sự đồng phẳng hoặc không đồng phẳng của ba vectơ nói trên không phụ

thuộc vào việc chọn điểm

Từ đó ta có định nghĩa sau đây:

Từ định nghĩa ba vectơ đồng phẳng và từ định lí về sự phân tích (hay biểu thị) một vectơ theo hai vectơ hai vectơ không cùng phương trong hình học phẳng chúng ta có thể chứng minh được định lí sau đây:

Gọi I là trung điểm của B C¢ ¢

Vì G ¢ là trọng tâm của tam giác 2 .

B'

C' A'

Câu 2: Cho hình lăng trụ Đặt Hãy biểu diễn vectơ

theo các vectơ

Lời giải Chọn D

Vì BB C C¢ ¢ là hình bình hành suy ra B C¢ =B C¢ ¢ +B B¢ =BC-AA¢

.

AA¢ BA AC AA¢ AB AC a b c

= -++= --+= - - +  

Khẳng định nào dưới đây là đúng?

Lời giải Chọn C

ABC A B C¢ ¢ ¢ a=AA ¢ , , .b=AB c =AC B C¢ , ,

ABC A B C¢ ¢ ¢ M BB¢. CA=a CB,=b AA, ¢ =c.

1 2

AM= + -a c b

2

AM= + -b c a

   

1 2

AM= - +b a c

2

AM= - +a c b

   

Vì M là trung điểm của 1 .

Gọi M N, lần lượt là trung điểm của AB CD,

Vì I là trung điểm của MN suy ra OM+ON= 2OI

2 2

B'

C' A'

M

B'

C' D'

B

A

A'

là giao điểm của và Mệnh đều nào sau đây đúng?

Lời giải Chọn A

Vì I là trung điểm của B C¢ ¢ A B¢ ¢ +A C¢ ¢ = 2A I¢

Và K là giao điểm của A I B D¢ , ¢ ¢ nên theo định lí Talet  2 .

C'

D

D'

B' A'

2

3

OG= OA+OB+OC+OD GA+GB+GC+GD= 0.

Vì G là trọng tâm của tứ diện ABCD suy ra GA+GB+GC+GD= 0.

Câu 7: Cho tứ diện Đặt Gọi là trọng tâm của tam giác

Trong các đẳng thức sau, đẳng thức nào sau đây đúng?

Lời giải Chọn B

Gọi M là trung điểm của CD suy ra 2 .

Câu 8: Cho tứ diện Đặt Gọi là trung điểm của đoạn thẳng

Đẳng thức nào dưới đây là đúng?

Lời giải Chọn A

Vì M là trung điểm của BC suy ra 1 .

Câu 9: Cho tứ diện Gọi và lần lượt là trung điểm của và Đặt

Khẳng định nào sau đây là đúng?

Lời giải Chọn D

MP= c+ -d b

   

Vì M P, lần lượt là trung điểm của AB CD, 2

2

ìï =ïï

nào dưới đây là đúng?

Lời giải Chọn C

Ta có BC=AC-AB = -  - + =d c b b c d 0.

Câu 2: Cho hình lập phương Gọi là tâm của hình lập phương Khẳng định

nào dưới đây là đúng?

B'

C' A'

AO= AB+AD+AA ¢

  

Lời giải Chọn B

Dựa vào đáp án, ta thấy rằng:

C'

D

D'

B' A'

C'

D

D'

B' A'

Dựa vào đáp án, ta thấy rằng:

íï =ïïî

Dựa vào đáp án, ta thấy rằng:

C M=C C +C D + C B (từ B)

D sai, vì BB1 +B A1 1 +B C1 1 =BA1 +BC=BA1 +A D1 1 =BD1

Câu 6: Cho hình lập phương có cạnh bằng Gọi là trọng tâm của tam giác

Khẳng định nào dưới đây là đúng?

Lời giải Chọn D

Cách 1 Gọi I là tâm của hình vuông ABCDI là trung điểm của BD.

D'

C' B'

D

A'

A

C B

Cách 2 Theo quy tắc hình hộp, ta có BA+BC+BB¢ =BD¢

Do G là trọng tâm của tam giác AB C¢ suy ra BA+BC+BB¢ = 3BGBD¢ = 3BG.

Khẳng định nào dưới đây là đúng?

Lời giải Chọn A

Gọi O là tâm hình bình hành ABCD.

Vì O là trung điểm của AC suy ra SA+SC= 2SO 2SO= +a c ( )1

Và O là trung điểm của BD suy ra SB+SD= 2SO 2SO= +b d ( )2

Từ ( )1 và ( )2 , suy ra a+ = +c b d.

Câu 8: Cho hình chóp có đáy là hình bình hành tâm Gọi là điểm thỏa mãn

Khẳng định nào dưới đây là đúng?

Lời giải Chọn B

Gọi O là tâm hình bình hành ABCD suy ra OA+OB+OC+OD= 0.

D S

S

D

B

A G

Ta có GS+GA+GB+GC+GD=GS+ 4GO+OA+OB+OC+OD= 0.

+ =  =   ba điểm G S O, , thẳng hàng

Câu 9: Cho tứ diện và điểm thỏa mãn ( là trọng tâm của tứ

diện) Gọi là giao điểm của và mặt phẳng Khẳng định nào dưới đây là đúng?

Lời giải Chọn C

Vì G0 là giao điểm của đường thẳng AG với mặt phẳng (BCD).

Suy ra G0 là trọng tâm của tam giác BCDG B0 +G C 0 +G D0 = 0.

Câu 10: Cho tứ diện Gọi lần lượt là trung điểm của và là trung điểm của

Khẳng định nào dưới đây là sai?

Lời giải Chọn B

C

D B

Vì M N, lần lượt là trung điểm của AB CD, suy ra 2 .

2

ìï + =ïïí

Ta có AB+B C1 1 +DD1 =AB+BC+CC1 =AC+CC1 =AC1  =k 1.

Câu 12: Cho hình hộp Tìm giá trị thực của thỏa mãn đẳng thức vectơ

Lời giải Chọn B

Ta có AC+BA¢ =AC+CD¢ =AD¢ và DB+C D¢ =DB-DC¢ =C B¢ =D A¢

Suy ra AC+BA' +k DB(+C D' )=AD¢ +k D A¢ =  0 (k- 1)D A¢ =  = 0 k 1.

Câu 13: Gọi lần lượt là trung điểm của các cạnh và của tứ diện Gọi là

trung điểm của đoạn Tìm giá trị thực của thỏa mãn đẳng thức vectơ

Lời giải Chọn C

Vì M N, lần lượt là trung điểm của , 2 .

Câu 14: Gọi lần lượt là trung điểm của các cạnh và của tứ diện Gọi là

trung điểm của đoạn và là một điểm bất kỳ trong không gian Tìm giá trị thực của

D'

C' B'

B

D C

A B C D

Lời giải Chọn C

Vì M N, lần lượt là trung điểm của , 2 .

Ta có N là trung điểm của CDMC+MD= 2MN ( )1

Và M là trung điểm của AB suy ra MA+MB= 0 ( )2

4.

2

4

I

N

M A

B

D C

P

k MN=k AC(+BD).

1 2

3

Câu 1: Cho ba vectơ không đồng phẳng Xét các vectơ , ,

Khẳng định nào dưới đây là đúng?

A Ba vectơ đồng phẳng B Hai vectơ cùng phương

C Hai vectơ cùng phương D Ba vectơ đôi một cùng

phương

Lời giải Chọn A

Giả sử, ba vectơ x y z   , , đồng phẳng, khi đó x=m y.+n z.

Ba vectơ x y z   , , đồng phẳng khi và chỉ khi $m n x, :=m y.+n z .

Vậy ba vectơ kể trên không đồng phẳng

Chú ý Bạn đọc làm tương tự với các A, C, D để thấy được các vectơ x y z   , , đồng phẳng

Câu 3: Cho ba vectơ Điều kiện nào dưới đây khẳng định ba vectơ đồng phẳng?

A Tồn tại ba số thực thỏa mãn và

B Tồn tại ba số thực thỏa mãn và

C Tồn tại ba số thực sao cho

D Giá của đồng quy

Lời giải Chọn B

Dựa vào đáp án, ta thấy rằng:

Với m+ + = n p 0 m= = =n p 0 suy ra ma+nb+pc= 0 nên chưa kết luận được ba vectơ a b c, ,  

Ta có AD=A D1 1 =A C1 +CD1 suy ra CD AD A C1 , , 1

  

đồng phẳng

Câu 5: Cho hình hộp Gọi là tâm của hình bình hành và là tâm của

hình bình hành Khẳng định nào dưới đây là đúng?

m n p m+ + =n p 0 ma+nb+pc= 0., ,

m n p m+ + ¹n p 0 ma+nb+pc= 0., ,

m n p ma+nb+pc= 0., ,

C đồng phẳng D đồng phẳng

Lời giải Chọn B

Vì I K, lần lượt là trung điểm của AF và CF.

Suy ra IK là đường trung bình của tam giác AFC IK //ACIK //(ABCD).

Mà GF//(ABCD) và BDÌ(ABCD) suy ra ba vectơ BD IK GF, ,

  

đồng phẳng Câu 6: Cho hình hộp Gọi lần lượt là tâm của hình bình hành và

Khẳng định nào dưới đây là sai?

Lời giải Chọn B

Dựa vào đáp án, ta thấy rằng:

F

G H

C'

B' A'

C

D'

D

B A

Câu 7: Cho tứ diện Gọi lần lượt là trung điểm của Khẳng định nào dưới

Vì M N, lần lượt là trung điểm của AD BC, suy ra: 1( )

MN = AB+DC AB DC MN

     

đồng phẳng

B đúng, vì MN không nằm trong mặt phẳng (ABC).

C sai, tương tự ta thấy AN không nằm trong mặt phẳng (MNC).

D đúng, vì 1( )

, , 2

MN = BD+AC BD AC MN

     

đồng phẳng

Câu 8: Cho tứ diện Trên các cạnh và lần lượt lấy điểm sao cho

Gọi lần lượt là trung điểm của và Khẳng định nào dưới đây là sai?

A Ba vectơ đồng phẳng B Ba vectơ đồng phẳng

C Ba vectơ đồng phẳng D Ba vectơ đồng phẳng

Lời giải Chọn A

Theo bài ra, ta có M N, lần lượt là trung điểm của PD QC,

Khi đó, dựa vào đáp án, ta thấy rằng:

C đúng, vì với cách biểu diễn PQ

tương tự như trên, ta có 1( )

2

Tìm để các đường thẳng cùng song song với một mặt phẳng

Lời giải Chọn B

Yêu cầu bài toán tương đương với tìm x để ba vectơ MN, , AD BC

Q A

C

D B

ABCD M N AM= 2AB- 3AC ( )1( )

Vậy ba vectơ MN, , AD BC

  

đồng phẳng khi 2 + =  = -x 0 x 2

Câu 10: Cho hình hộp Gọi là điểm trên cạnh sao cho Lấy

trên đoạn sao cho Với giá trị nào của thì

Lời giải Chọn A

Gọi O là tâm của hình hình hành ABCD và I là trung điểm của DD ¢.

Nối C D¢ cắt CI tại N¢ N¢ là trọng tâm của tam giác CDD ¢.

Ta có OI là đường trung bình của tam giác BDD ¢ suy ra OI //BD ¢.

Câu 11: Cho hình chóp Lấy các điểm lần lượt thuộc các tia sao cho

trong đó là các số thay đổi Để mặt phẳng đi qua trọng tâm của tam giác thì

Lời giải Chọn A

C D¢ C N¢ =x C D¢ . x MN  BD ¢ 2

3

3

4

2

x =

M

N' I

Gọi G là trọng tâm của tam giác ABC suy ra GA+GB+GC= 0.

Vì (A B C¢ ¢ ¢) đi qua trọng tâm tam giác ABC suy ra GA GB GC  ¢ , ¢ , ¢ đồng phẳng

Do đó, tồn tại ba số l m n, , sao cho (l2 +m2 +n2 ¹ 0) và l GA.¢+m GB.¢+n GC.¢=0.

Câu 1: Cho tứ diện Gọi là trọng tâm tam giác Điểm xác định bởi đẳng thức

vectơ Mệnh đề nào sau đây đúng?

C là trung điểm D là trung điểm

Lời giải Chọn B

Do G là trọng tâm tam giác BCD nên AB+AC+AD= 3AG.

Kết hợp giả thiết, suy ra AM= 3AG.

Câu 2: Cho tứ diện Điểm xác định bởi Mệnh đề nào sau đây

C là đỉnh thứ tư của hình bình hành

C trùng với

Lời giải Chọn C

Ta có AN=AB+ AC-ADAN -AB=AC -ADBN=DC.

Đẳng thức chứng tỏ N là đỉnh thứ tư của hình bình hành CDBN.

Câu 3: Cho tứ diện Ta định nghĩa là trọng tâm tứ diện khi và chỉ khi

Khẳng định nào sau đây sai?

A là trung điểm của đoạn thẳng nối trung điểm của và

B là trung điểm của đoạn thẳng nối trung điểm của và

C là trung điểm của đoạn thẳng nối trung điểm của và

D Cả A, B, C đều đúng

Lời giải Chọn D

Câu 4: Cho hình hộp Điểm được xác định bởi đẳng thức vectơ

Mệnh đề nào sau đây đúng?

A là tâm của mặt đáy

C là trung điểm của đoạn thẳng nối hai tâm của hai mặt đáy

D Tập hợp điểm là đoạn thẳng nối hai tâm của hai mặt đáy

Lời giải Chọn C

Vậy điểm M cần tìm là trung điểm của OO'.

Câu 5: Cho hình hộp có tâm Đặt , Điểm xác định bởi đẳng

thức vectơ Khẳng định nào sau đây đúng?

A là trung điểm B là tâm hình bình hành

C là trung điểm D là tâm hình bình hành

Lời giải Chọn A

Gọi I I, ' lần lượt là tâm các mặt đáy ABCD A B C D, ¢ ¢ ¢ ¢ Suy ra O là trung điểm của II'.

C'

D

D'

B' A'

Vì ABCD A B C D ¢ ¢ ¢ ¢ là hình hộp nên từ đẳng thức OM=IB suy ra M là trung điểm BB'.

BÀI 2 HAI ĐƯỜNG THẲNG VUÔNG GÓC

A KIẾN THỨC CƠ BẢN CÂN NẮM

I – TÍCH VÔ HƯỚNG CỦA HAI VECTƠ TRONG KHÔNG GIAN

1 Góc giữa hai vectơ trong không gian

Định nghĩa

Trong không gian, cho và là hai vectơ khác Lấy một điểm bất kì, gọi và là hai điểm sao cho Khi đó ta gọi góc là góc giữa hai vectơ và trong không gian, kí hiệu là

2 Tích vô hướng của hai vectơ trong không gian

Định nghĩa

Trong không gian, cho hai vectơ và đều khác Tích vô hướng của hai vectơ và là một

số, kí hiệu là , được xác định bởi công thức:

Trong trường hợp hoặc , ta quy ước

II – VECTƠ CHỈ PHƯƠNG CỦA ĐƯỜNG THẲNG

c) Hai đường thẳng song song với nhau khi và chỉ khi chúng là hai đường thẳng phân biệt và có hai vectơ chỉ phương cùng phương

III – GÓC GIỮA HAI ĐƯỜNG THẲNG TRONG KHÔNG GIAN

b) Nếu là vectơ chỉ phương của đường thẳng và là vectơ chỉ phương của đường thẳng và

thì góc giữa hai đường thẳng và bằng nếu và bằng nếu Nếu và song song hoặc trùng nhau thì góc giữa chúng bằng

IV – HAI ĐƯỜNG THẲNG VUÔNG GÓC

1 Định nghĩa

Hai đường thẳng được gọi là vuông góc với nhau nếu góc giữa chúng bằng

Người ta kí hiệu hai đường thẳng và vuông góc với nhau là

2 Nhận xét

a) Nếu và lần lượt là các vectơ chỉ phương của hai đường thẳng và thì: b) Cho hai đường thẳng song song Nếu một đường thẳng vuông góc với đường thẳng này thì cũng vuông góc với đường thẳng kia

c) Hai đường thẳng vuông góc với nhau có thể cắt nhau hoặc chéo nhau

B PHÂN LOẠI

Dạng 1 Tính góc giữa hai đường thẳng

1 Phương pháp

Cách 1: (Theo phương pháp hình học)

 Lấy điểm O tùy ý ( ta có thể lấy điểm O thuộc một trong hai đường thẳng), qua đó vẽ các

đường thẳng lần lượt song song (hoặc trùng) với hai đường thẳng đã cho

 Tính một góc trong các góc được tạo bởi giữa hai đường thẳng cắt nhau tại O

 Nếu góc đó nhọn thì đó là góc cần tìm, nếu góc đó tù thì góc cần tính là góc bù với góc đã

Cách 2: (Theo phương pháp vectơ)

 Tìm u ,u 1 2 lần lượt là các vectơ chỉ phương của hai đường thẳng 1 và 2 tính u ,u 1 2

u ucos , cos u ,u

Đặt cạnh của tứ diện có độ dài là a

Gọi J là trung điểm của AC

Do BAʹ // CDʹ nên góc giữa BD và CD’ là góc giữa BD và BA’

Mà AʹBD là tam giác đều nên góc giữa BD và BA’ là o

60 Vậy góc giữa BD và CD’ là 60 o

Ví dụ 3: Cho hình chóp S.ABC có SASB SC ACAB a và BC a 2. Xác định góc giữa hai đường thẳng CS và AB

Hướng dẫn giải

Trước hết ta tính góc giữa hai vectơ SC và AB

Từ giả thiết suy ra ABC vuông cân tại A

Vậy góc giữa hai đường thẳng SC và AB bằng 60 

Ví dụ 4: Cho tứ diện ABCD Gọi M, N lần lượt là trung điểm của các cạnh BC và AD Cho biết

Câu 1: Trong các mệnh đề sau, mệnh đề nào đúng?

A Góc giữa hai đường thẳng và bằng góc giữa hai đường thẳng và khi song

song với (hoặc trùng với )

B Góc giữa hai đường thẳng và bằng góc giữa hai đường thẳng và thì song song với

C Góc giữa hai đường thẳng là góc nhọn

D Góc giữa hai đường thẳng bằng góc giữa hai véctơ chỉ phương của hai đường thẳng

Câu 2: Trong các mệnh đề sau, mệnh đề nào đúng?

A Hai đường thẳng cùng vuông góc với một đường thẳng thì song song với nhau

B Một đường thẳng vuông góc với một trong hai đường thẳng vuông góc với nhau thì

song song với đường thẳng còn lại

C Hai đường thẳng cùng vuông góc với một đường thẳng thì vuông góc với nhau

D Một đường thẳng vuông góc với một trong hai đường thẳng song song thì vuông góc

với đường thẳng kia

Lời giải Chọn D

Câu 3: Cho hai đường thẳng phân biệt và mặt phẳng , trong đó Mệnh đề nào sau

đây là sai?

Lời giải Chọn D

Vì b có thể nằm trong mặt phẳng ( )P

Câu 4: Cho hình lập phương Hãy xác định góc giữa cặp vectơ và ?

Lời giải Chọn B

Vì DH=AE (ADHE là hình vuông) nên (AB DH , ) (= AB AE , )=BAE = 90 0 (ABFE là hình vuông)

Câu 5: Cho hình lập phương Hãy xác định góc giữa cặp vectơ và ?

Lời giải Chọn C

Vì EG=AC (A EGC là hình chữ nhật) nên (AB EG , ) (= AB AC , )= BAC= 45 0 (ABCD là hình vuông)

Câu 6: Cho hình lập phương Góc giữa và là:

Lời giải Chọn C

C D

F

B A

' ' ' '

0

Gọi a là độ dài cạnh hình lập phương Khi đó, tam giác AB C' đều (

' B C

AB = =CA=a ) do đó B CA = ' 60 0

Lại có, DA' song song CB' nên (AC DA, ') (= AC CB, ')=ACB =' 60 0

Câu 7: Cho hình hộp Giả sử tam giác và đều có ba góc nhọn

Góc giữa hai đường thẳng và là góc nào sau đây?

Lời giải Chọn B

C D

A'

D

C B

Ta có (AA B', ' 'D) (= BB B', ' 'D )=BB C ' = 90 0 Khẳng định B sai

Câu 9: Cho tứ diện đều Số đo góc giữa hai đường thẳng và bằng:

Lời giải Chọn C

Gọi M là trung điểm của CD

Suy ra AB^CD nên số đo góc giữa hai đường thẳng AB và CD bằng 90 0

Câu 10: Cho tứ diện đều cạnh bằng Gọi là tâm đường tròn ngoại tiếp tam giác

Góc giữa và bằng bao nhiêu?

Lời giải Chọn C

A'

C' D'

B'

B A

D M A

0

Gọi M là trung điểm của CD

Vì ABCD là tứ diện đều nên A M ^CD O, M ^C D.

Ta có CD AO  =CD AM .( +MO)=CD AM  +CD MO  = 0.

Suy ra AO^CD nên số đo góc giữa hai đường thẳng AO và CD bằng 90 0

Câu 11: Cho tứ diện đều , là trung điểm của cạnh Khi đó bằng:

Lời giải Chọn B

Giả sử cạnh của tứ diện là a

Tam giác BCD đều 3

2

a DM

Tam giác ABC đều 3

2

a AM

C

M B

2 2

3 6

1 2

3 2

M

C A

ABCD AB=AC=AD BAC =BAD =60

S

Câu 15: Cho hình chóp có và Tính số đo của góc giữa hai đường

thẳng chéo nhau và

Lời giải Chọn D

cos ,

A AB

lượt là trung điểm của và Hãy xác định góc giữa cặp vectơ và ?

Lời giải Chọn B

B A

ABCD AB=AC=AD BAC=BAD= 60  CAD = 90  I J

IJ

