Bài 3: Phương trình đường thẳng trong không gian

Trong không gian phương trình đường phẳng được biểu diễn ở hai dạng chính là phương trình tham số và phương trình chính tắc. Nội dung bài học sẽ giúp các em biết cách xác định vectơ chỉ phương của đường thẳng và viết được phương trình trong các trường hợp phổ biến. Bên cạnh đó bài học còn giới thiệu cách tính khoảng cách, góc, xác định vị trí tương đối trong không gian có liên quan đến đường thẳng.

Tóm tắt lý thuyết

2.1. Phương trình tham số của đường thẳng

a) Phương trình tham số của đường thẳng

Trong không gian, đường thẳng Δ đi qua M(x0,y0,z0) và nhận vectơ u=(a,;b;c) làm Vectơ chỉ phương (VTCP) có phương trình tham số là: 

Δ:{x=x0+aty=y0+btz=z0+ct(tR) (t được gọi là tham số).

Nếu a,b,c0 thì ta có phương trình xx0a=yy0b=zz0c=t.

Hay xx0a=yy0b=zz0c được gọi là phương trình chính tắc của đường thẳng Δ.

b) Một số cách xác định Vectơ chỉ phương của đường thẳng

  • Nếu Δ1//Δ2u1 là 1 VTCP của Δ1 thì u1 là 1 VTCP của Δ2.
  • Nếu Δ1Δ2u1 là 1 VTCP của Δ1u2 là 1 VTCP của Δ2 thì u1.u2=0.
  • Nếu đường thẳng Δ có VTCP u, tồn tại hai vectơ u1 và u2 sao cho {uu1uu2 thì u=[u1,u2] là một VTCP của Δ.
  • Cho đường thẳng Δ và mặt phẳng (P) sao cho: [Δ(P)Δ//(P). Gọi u là một VTCP ΔnP là VTPT của (P) thì u.nP=0.
  • Nếu A,BΔ thì AB là một VTCP của Δ.

2.2. Vị trí tương đối giữa các đường thẳng

Trong không gian cho hai đường thẳng:  Δ1 đi qua M1 và có một VTCP u1Δ2 đi qua M2 và có một VTCP u2.

Khi đó Vị trí tương đối giữa Δ1 và Δ2 được xác định như sau:

  • Δ1 và Δ2 chéo nhau [u1;u2].M1.M20.
  • Δ1 và Δ2 cắt nhau {[u1;u2].M1.M2=0u1k.u2            .
  • Δ1 // Δ2 {u1=k.u2M1Δ1,M1Δ2.
  • Δ1Δ2{u1=k.u2M1Δ1,M1Δ2.

2.3. Góc giữa hai đường thẳng

  • Trong không gian cho hai đường thẳng Δ1 có một VTCP u1=(a1;b1;c1)Δ2 có một VTCP u2=(a2;b2;c2)​, khi đó:

cos(Δ1;Δ2)=|cos(u1;u2)|=|u1u2||u1|.|u2|=|a1a2+b1b2+c1c2|a12+b12+c12.a22+b22+c22

  • Nhận xét:
    • 00(Δ1;Δ2)900.
    • Δ1Δ2a1a2+b1b2+c1c2=0.

2.4. Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng

Trong không gian cho đường thẳng Δ có một VTCP u=(a;b;c), mặt phẳng (P) có một VTPT n=(A;B;C), khi đó:

sin(Δ;(P)^)=|cos(n;u)|=|Aa+Bb+Cc|A2+B2+C2.a2+b2+c2

2.5. Các công thức tính khoảng cách liên quan đến đường thẳng

a) Khoảng cách từ 1 điểm đến đường thẳng

Cho điểm M và đường thẳng Δ đi qua N và có một VTCP u. Khi đó khoảng cách từ M đến Δ xác định bởi công thức:

d(M;Δ)=|[NM;u]||u|

b) Khoảng cách từ giữa đường thẳng và mặt phẳng song song 

Cho đường thẳng Δ song song với mặt phẳng (P). M là một điểm thuộc đường thẳng Δ. Khi đó: 

d(Δ;(P))=d(M;(P))

c) Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau

Cách 1:
Trong không gian cho đường thẳng Δ1 đi qua M1 có một VTCP u1Δ2 đi qua M2 có một VTCP u2. Khi đó:

d(Δ1;Δ2)=|[u1;u2].M1M2|[u1;u2]

Cách 2:
Gọi AB là đoạn vuông góc chung Δ1Δ2 vớiAΔ1,BΔ2 suy ra: {AB.u1=0AB.u2=0. Khi đó: 

d(Δ1;Δ2)=AB

 

Bài tập minh họa

 
 

Ví dụ 1:

Viết phương trình tham số của đường thẳng d trong các trường hợp sau:

a) d đi qua A(1; 2;-3) và B(-2; 2;0).

b) d đi qua  A(-2;4;3) và vuông góc với mặt phẳng (α): 2x-3y–6z+19=0.

c) d đi qua điểm A(2;-5;3) và song song với đường thẳng d: {x=2+ty=3+2tz=53t.

d) d đi qua điểm M(3;1;5) và song song với hai mặt phẳng (P):2x+3y-2z+1=0 và (Q): x–3y+z-2=0.

Lời giải:

a) Ta có: AB=(1;0;1).

Do d đi qua A và B nên VTCP của d là u=13AB=(1;0;1).

Mặt khác d đi qua A(1; 2;-3).

Suy ra phương trình tham số của d là {x=1ty=2z=3+t

b) VTPT của (α) n=(2;3;6).

Do d(α) nên d nhận u=n=(2;3;6) là VTCP.

Mặt khác d đi qua  A(-2;4;3).

Suy ra phương trình tham số của d là {x=2+2ty=43tz=36t

c) VTCP của d' là u=(1;2;3).

Do d// d’ nên VTCP của d u=u=(1;2;3).

Mặt khác d đi qua điểm A(2;-5;3).

Suy ra phương trình tham số của d là {x=2+ty=5+2tz=33t   

d) Ta có: n(P)=(2;3;2) và n(Q)=(1;3;1) lần lượt là VTPT của mặt phẳng (P) và mặt phẳng (Q).

Do: {d//(P)d//(Q) nên d có VTCP là: u=[nP;nQ]=(3;4;9).

Mặt khác: d đi qua điểm M(3;1;5)

Suy ra phương trình tham số của d là: {x=33ty=14tz=59t

Ví dụ 2:

Xác đinh trí tương đối của các cặp đường thẳng d và d’ cho bởi các phương trình sau:

a) d:{x=3+2ty=2+3tz=6+4t và d:{x=5+ty=14tz=20+t.

b) d:{x=1+ty=2+tz=3t và d:{x=1+2ty=1+2tz=22t

Lời giải:

a) d qua A(-3;-2;6) có VTCP u=(2;3;4). 

d’ qua B(5;-1;20) có VTCP u=(1;4;1).

AB=(8;1;14)

[u,u]=(|3441|;|4211|;|2314|)=(19;2;11).

Ta có: {[u,u].AB=19.8+2.111.14=152+2154=0[u,u]=(19;2;11)0

Suy ra d và d' cắt nhau.

b) d qua A(1;2;3) có VTCP u=(1;1;1). 

d’ qua B(1;-1;2) có VTCP u=(2;2;2).

AB=(0;3;1)

[u,u]=(|1122|;|1122|;|1122|)=(0;0;0)

Ta có: {u=2uAB=(0;3;1)0  

Suy ra d và d' song song với nhau.

Ví dụ 3:

Tìm a để hai đường thẳng sau đây cắt nhau d:{x=1+aty=tz=12t;d:{x=1ty=2+2tz=3t.

Lời giải:

d qua A(1;0;-1) có VTCP u=(a;1;2).

d’ qua B(1;2;3) có VTCP u=(1;2;1).

AB=(0;2;4)

[u,u]=(|1221|;|2a11|;|a112|)=(5;a2;2a+1).

Nếu d cắt d' khi:

{[u,u]0[u,u].AB=0{a202a102(a2)+4(2a+1)=0{a2a12a=0a=0  

Vậy a=0 là giá trị cần tìm.

Ví dụ 4:

Tính các khoảng cách sau:

a) Khoảng cách từ điểm A(1;0;1) đến đường thẳng Δ:x12=y2=z1.

b) Khoảng cách giữa hai đường thẳng Δ:{x=1+ty=1tz=1 và Δ:{x=23ty=2+3tz=3t(t,tR).

Lời giải:

a) Đường thẳng Δ đi qua điểm B(1;0;0) và có vectơ chỉ phương u=(2;2;1).

AB=(0;0;1)[AB,u]=(|0121|;|1012|;|0022|)=(2;2;0).

Vậy d(A,Δ)=4+44+4+1=223. 

b) Đường thẳng Δ qua A(1;-1;1) và có VTCP u=(1;1;0).

Đường thẳng Δ qua B(2;2;0) và VTCP u=(3;3;3).

AB=(1;3;1)[u,u]=(3;3;0)[u,u].AB=12.

Vậy: d(Δ,Δ)=|[u,u].AB||[u,u]|=|12|9+9+0=1232=22. 

Ví dụ 5:

a) Tính góc tạo bởi đường thẳng (d): {x=1+2ty=2+tz=5+4t  và (d):x21+y43+z+32=0.

b) Tìm m để đường thẳng (d):{x=2ty=12tz=1t và (d):{x=1+2ty=2+(m2)tz=t tạo với nhau một góc 600.

Lời giải:

a) VTCP của (d) là: ud=(2;1;4).  

VTCP của (d’) là: ud=(1;3;2).   

Gọi φ là góc tạo bởi hai đường thẳng (d) và (d’) ta có:

cosφ=|ud.ud||ud||ud|=|2.(1)+3.1+4.2|22+12+42(1)2+32+22=9294φ88015

b) ud=(2;2;1)

ud=(m;m2;1)

(d) và (d’) tạo với nhau một góc 600 nên:

|cos(nP,nQ)|=1212m24m+5=122m24m+1=0[m=22m=2+2

Vậy m=22 và m=2+2 là các giá trị cần tìm.

Ví dụ 6:

Tìm m để  đường thẳng: d:{x=1+mty=(m2)tz=1+t và (P): 2x2yz+1=0 tạo thành góc 300.

Lời giải:

d có VTCP: u=(m,m2,1).  

(P) có VTPT: n=(2;2;1).

d và (P) tạo với nhau một góc 300 nên:

sin300=|cos(u,n)|=1212m24m+5=122m24m+1=0[m=2+22m=222.

Vậy m=2+22 và m=222 là các giá trị cần tìm.

4. Luyện tập Bài 3 Chương 3 Hình học 12

Trong không gian phương trình đường phẳng được biểu diễn ở hai dạng chính là phương trình tham số và phương trình chính tắc. Nội dung bài học sẽ giúp các em biết cách xác định vectơ chỉ phương của đường thẳng và viết được phương trình trong các trường hợp phổ biến. Bên cạnh đó bài học còn giới thiệu cách tính khoảng cách, góc, xác định vị trí tương đối trong không gian có liên quan đến đường thẳng.

4.1 Trắc nghiệm về Khái niệm về Phương trình đường thẳng trong không gian

Để cũng cố bài học xin mời các em cũng làm Bài kiểm tra Trắc nghiệm Hình học 12 Bài 3 để kiểm tra xem mình đã nắm được nội dung bài học hay chưa.

Câu 2- Câu 5: Xem thêm phần trắc nghiệm để làm thử Online 

4.2 Bài tập SGK và Nâng Cao về Phương trình đường thẳng trong không gian

Bên cạnh đó các em có thể xem phần hướng dẫn Giải bài tập Hình học 12 Bài 3 sẽ giúp các em nắm được các phương pháp giải bài tập từ SGK Hình học 12 Cơ bản và Nâng cao.

Bài tập 24 trang 102 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 25 trang 102 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 26 trang 102 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 27 trang 103 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 28 trang 103 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 29 trang 103 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 30 trang 103 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 31 trang 103 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 32 trang 104 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 33 trang 104 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 34 trang 104 SGK Hình học 12 NC

Bài tập 35 trang 104 SGK Hình học 12 NC

5. Hỏi đáp Bài 3 Chương 3 Toán 12

Nếu có thắc mắc cần giải đáp các em có thể để lại câu hỏi trong phần Hỏi đáp, cộng đồng Toán Chúng tôi sẽ sớm trả lời cho các em. 

Tham khảo thêm

Bình luận

Thảo luận về Bài viết

Có Thể Bạn Quan Tâm ?