Lemonmath
English

Phương trình đường thẳng trong không gian

Bài 5.2 · 26 phút đọc · Cập nhật

Một chiếc drone cất cánh từ điểm M0(1;2;0)M_0(1; 2; 0) trên sân trường (đơn vị: mét). Nó bay thẳng, mỗi giây dịch chuyển theo vectơ u⃗=(2;1;2)\vec{u}=(2; 1; 2). Trên cao có một vòng kiểm tra đặt tại N(9;6;8)N(9; 6; 8). Drone có bay qua vòng kiểm tra không, và nếu có thì sau bao nhiêu giây?

Giống như trong mặt phẳng, một đường thẳng trong không gian được xác định bởi một điểm và một hướng. Chỉ khác là bây giờ có ba toạ độ.

Phương trình tham số của đường thẳng

Khám phá: vị trí của drone

Sau tt giây, drone ở điểm MM với M0M→=tu⃗\overrightarrow{M_0M}=t\vec{u}. Ta ghi vài vị trí:

tt (giây) 00 11 22 33
vị trí (1;2;0)(1; 2; 0) (3;3;2)(3; 3; 2) (5;4;4)(5; 4; 4) (7;5;6)(7; 5; 6)

Vị trí sau tt giây là (1+2t;2+t;2t)(1+2t; 2+t; 2t). Để tới N(9;6;8)N(9; 6; 8) cần 1+2t=91+2t=9, 2+t=62+t=6, 2t=82t=8. Cả ba đều cho t=4t=4, nên drone qua vòng kiểm tra sau 44 giây. Quãng đường đã bay là 4∣u⃗∣=4⋅3=124|\vec{u}|=4\cdot3=12 m.

udM0 M
Đường thẳng qua M0M_0 có vectơ chỉ phương u⃗\vec{u}

Vì sao đúng? Điểm M(x;y;z)M(x; y; z) thuộc Δ\Delta khi và chỉ khi M0M→\overrightarrow{M_0M} cùng phương với u⃗\vec{u}, tức có số tt để M0M→=tu⃗\overrightarrow{M_0M}=t\vec{u}. Viết theo từng toạ độ: x−x0=atx-x_0=at, y−y0=bty-y_0=bt, z−z0=ctz-z_0=ct. Khi abc≠0abc\neq0, cả ba phân số đều bằng tt.

Khi biết hai điểm, ta lấy vectơ nối chúng làm vectơ chỉ phương. Khi đường thẳng vuông góc với một mặt phẳng, vectơ pháp tuyến của mặt phẳng chính là vectơ chỉ phương.

Vị trí tương đối của hai đường thẳng

Trong không gian, hai đường thẳng có bốn khả năng. Khác với mặt phẳng, hai đường thẳng không cắt nhau và không song song vẫn có thể tồn tại: đó là hai đường thẳng chéo nhau.

Đường thẳng và mặt phẳng

Để xét đường thẳng dd và mặt phẳng (P)(P), ta thay phương trình tham số của dd vào phương trình của (P)(P) và được một phương trình bậc nhất theo tt.

Hình chiếu vuông góc của một điểm

Hình chiếu HH của điểm MM trên mặt phẳng (P)(P) là giao điểm của (P)(P) với đường thẳng qua MM vuông góc với (P)(P). Hình chiếu HH của MM trên đường thẳng dd là điểm H∈dH\in d sao cho MH→⊥u⃗\overrightarrow{MH}\perp\vec{u}.

(P)HM
Hình chiếu HH của MM trên mặt phẳng (P)(P)

Ví dụ cuối nhiều bước hơn, nên ta làm theo bốn bước.

Thuật ngữ

Tóm tắt

  • Đường thẳng qua M0(x0;y0;z0)M_0(x_0; y_0; z_0), vectơ chỉ phương u⃗=(a;b;c)\vec{u}=(a; b; c): x=x0+atx=x_0+at, y=y0+bty=y_0+bt, z=z0+ctz=z_0+ct.
  • Khi abc≠0abc\neq0: x−x0a=y−y0b=z−z0c\dfrac{x-x_0}{a}=\dfrac{y-y_0}{b}=\dfrac{z-z_0}{c}.
  • Qua hai điểm AA, BB: u⃗=AB→\vec{u}=\overrightarrow{AB}. Vuông góc với (P)(P): u⃗=n⃗P\vec{u}=\vec{n}_P.
  • Hai đường thẳng: u⃗1\vec{u}_1, u⃗2\vec{u}_2 cùng phương thì song song hoặc trùng nhau; không cùng phương thì giải hệ theo tt, ss: có nghiệm là cắt nhau, vô nghiệm là chéo nhau.
  • Đường thẳng và mặt phẳng: thay vào được phương trình theo tt; một nghiệm là cắt, vô nghiệm là song song, mọi tt là nằm trong.
  • Hình chiếu trên (P)(P): giao của (P)(P) với đường thẳng qua MM có vectơ chỉ phương n⃗\vec{n}. Hình chiếu trên dd: H∈dH\in d, MH→⋅u⃗=0\overrightarrow{MH}\cdot\vec{u}=0.

Luyện tập

Mỗi bài có phần kiến thức và gợi ý các bước. Hãy tự làm trước, rồi mới bấm xem lời giải.

Bài 1

Viết phương trình tham số của đường thẳng đi qua A(2;−1;3)A(2; -1; 3) và có vectơ chỉ phương u⃗=(1;4;−2)\vec{u}=(1; 4; -2). Tìm điểm ứng với t=−1t=-1 và kiểm tra xem B(4;7;−1)B(4; 7; -1) có thuộc đường thẳng không.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: x=x0+atx=x_0+at, y=y0+bty=y_0+bt, z=z0+ctz=z_0+ct.

Gợi ý các bước:

  1. Viết phương trình tham số.
  2. Thay t=−1t=-1.
  3. Tìm tt từ hoành độ của BB rồi kiểm tra hai toạ độ còn lại.
Xem lời giải

x=2+tx=2+t, y=−1+4ty=-1+4t, z=3−2tz=3-2t. Với t=−1t=-1: (1;−5;5)(1; -5; 5). Với BB: 2+t=42+t=4 cho t=2t=2, khi đó y=7y=7, z=−1z=-1, khớp.

Đáp số. (1;−5;5)(1; -5; 5); BB thuộc đường thẳng (ứng với t=2t=2).

Bài 2

Viết phương trình tham số và phương trình chính tắc của đường thẳng đi qua A(1;0;−2)A(1; 0; -2) và B(3;2;−1)B(3; 2; -1).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: u⃗=AB→\vec{u}=\overrightarrow{AB}.

Gợi ý các bước:

  1. Tính AB→\overrightarrow{AB}.
  2. Viết hai dạng phương trình với điểm AA.
Xem lời giải

AB→=(2;2;1)\overrightarrow{AB}=(2; 2; 1). {x=1+2ty=2tz=−2+tx−12=y2=z+21.\begin{cases}x=1+2t\\ y=2t\\ z=-2+t\end{cases}\qquad\frac{x-1}{2}=\frac{y}{2}=\frac{z+2}{1}.

Đáp số. Như trên.

Bài 3

Viết phương trình đường thẳng dd đi qua M(1;−1;2)M(1; -1; 2) và vuông góc với (P):2x−y+3z+5=0(P): 2x-y+3z+5=0. Tìm giao điểm của dd và (P)(P).

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: d⊥(P)d\perp(P) thì u⃗d=n⃗P\vec{u}_d=\vec{n}_P; giao điểm: thay phương trình tham số vào (P)(P).

Gợi ý các bước:

  1. Viết dd với u⃗=(2;−1;3)\vec{u}=(2; -1; 3).
  2. Thay vào (P)(P), giải tt.
Xem lời giải

d:x=1+2td: x=1+2t, y=−1−ty=-1-t, z=2+3tz=2+3t. Thay vào (P)(P): 2(1+2t)−(−1−t)+3(2+3t)+5=14+14t=0  ⟺  t=−1.2(1+2t)-(-1-t)+3(2+3t)+5=14+14t=0\iff t=-1. Giao điểm là (−1;0;−1)(-1; 0; -1).

Đáp số. (−1;0;−1)(-1; 0; -1).

Bài 4

Viết phương trình tham số và chính tắc của đường thẳng đi qua M(0;1;−1)M(0; 1; -1) và song song với Δ:x−12=y+3−1=z3\Delta: \dfrac{x-1}{2}=\dfrac{y+3}{-1}=\dfrac{z}{3}.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: hai đường thẳng song song có chung vectơ chỉ phương; đọc u⃗\vec{u} ở các mẫu số.

Gợi ý các bước:

  1. Đọc u⃗=(2;−1;3)\vec{u}=(2; -1; 3).
  2. Viết phương trình qua MM.
Xem lời giải

{x=2ty=1−tz=−1+3tx2=y−1−1=z+13.\begin{cases}x=2t\\ y=1-t\\ z=-1+3t\end{cases}\qquad\frac{x}{2}=\frac{y-1}{-1}=\frac{z+1}{3}. MM không thuộc Δ\Delta (vì 0−12≠1+3−1\dfrac{0-1}{2}\neq\dfrac{1+3}{-1}), nên đường thẳng này song song, không trùng Δ\Delta.

Đáp số. Như trên.

Bài 5

Cho d1:{x=1+2ty=−tz=3+td_1: \begin{cases}x=1+2t\\ y=-t\\ z=3+t\end{cases} và d2:x−3−4=y+12=z−4−2d_2: \dfrac{x-3}{-4}=\dfrac{y+1}{2}=\dfrac{z-4}{-2}. Mỗi khẳng định sau đúng hay sai?

a) u⃗1=(2;−1;1)\vec{u}_1=(2; -1; 1) là một vectơ chỉ phương của d1d_1.

b) Điểm M(3;−1;4)M(3; -1; 4) thuộc d1d_1.

c) d1d_1 song song với d2d_2.

d) d1d_1 vuông góc với mặt phẳng (P):2x−y+z=0(P): 2x-y+z=0.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: hai vectơ chỉ phương cùng phương thì hai đường thẳng song song hoặc trùng nhau; kiểm tra thêm một điểm.

Gợi ý các bước:

  1. Đọc u⃗1\vec{u}_1, u⃗2\vec{u}_2.
  2. Thay MM vào d1d_1 (tìm tt).
  3. So sánh u⃗1\vec{u}_1 với n⃗P\vec{n}_P.
Xem lời giải

a) Đúng. Hệ số của tt là 22, −1-1, 11.

b) Đúng. t=1t=1 cho (3;−1;4)(3; -1; 4).

c) Sai. u⃗2=(−4;2;−2)=−2u⃗1\vec{u}_2=(-4; 2; -2)=-2\vec{u}_1, và M(3;−1;4)M(3; -1; 4) thuộc cả d2d_2, nên hai đường thẳng trùng nhau.

d) Đúng. n⃗P=(2;−1;1)=u⃗1\vec{n}_P=(2; -1; 1)=\vec{u}_1.

Đáp số. a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng.

Bài 6

Một máy bay cất cánh từ điểm O(0;0;0)O(0; 0; 0) và bay thẳng, mỗi giây dịch chuyển theo vectơ v⃗=(80;60;10)\vec{v}=(80; 60; 10) (đơn vị: mét). Khi máy bay đạt độ cao 15001500 m, hình chiếu của nó trên mặt đất cách OO bao nhiêu kilômét?

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: vị trí sau tt giây là (80t;60t;10t)(80t; 60t; 10t).

Gợi ý các bước:

  1. Giải 10t=150010t=1500.
  2. Hình chiếu trên mặt đất là (80t;60t;0)(80t; 60t; 0); tính khoảng cách tới OO.
Xem lời giải

t=150t=150 giây. Hình chiếu là (12000;9000;0)(12000; 9000; 0), cách OO một khoảng 120002+90002=15000\sqrt{12000^2+9000^2}=15000 m.

Đáp số. 1515.

Bài 7

Cho d:x=2+td: x=2+t, y=1−ty=1-t, z=3+2tz=3+2t. Xét vị trí của dd với (P1):x+y−1=0(P_1): x+y-1=0, (P2):x+3y+z−8=0(P_2): x+3y+z-8=0, (P3):x−y+z−6=0(P_3): x-y+z-6=0.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: thay phương trình tham số vào phương trình mặt phẳng.

Gợi ý các bước:

  1. Thay vào từng mặt phẳng và rút gọn theo tt.
  2. Đọc số nghiệm.
Xem lời giải

(P1)(P_1): (2+t)+(1−t)−1=2=0(2+t)+(1-t)-1=2=0, vô lí, nên d∥(P1)d\parallel(P_1). (P2)(P_2): (2+t)+3(1−t)+(3+2t)−8=0(2+t)+3(1-t)+(3+2t)-8=0 với mọi tt, nên dd nằm trong (P2)(P_2). (P3)(P_3): (2+t)−(1−t)+(3+2t)−6=4t−2=0(2+t)-(1-t)+(3+2t)-6=4t-2=0, t=12t=\dfrac12, giao điểm (52;12;4)\left(\dfrac52; \dfrac12; 4\right).

Đáp số. Song song với (P1)(P_1); nằm trong (P2)(P_2); cắt (P3)(P_3) tại (52;12;4)\left(\dfrac52; \dfrac12; 4\right).

Bài 8

Xét vị trí của hai đường thẳng d1:x=1+td_1: x=1+t, y=1−ty=1-t, z=2tz=2t và d2:x=1+2sd_2: x=1+2s, y=−2+sy=-2+s, z=5−sz=5-s. Nếu chúng cắt nhau, tìm giao điểm.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: vectơ chỉ phương không cùng phương thì giải hệ theo tt, ss.

Gợi ý các bước:

  1. So sánh (1;−1;2)(1; -1; 2) và (2;1;−1)(2; 1; -1).
  2. Giải hai phương trình đầu, rồi thử phương trình thứ ba.
Xem lời giải

Hai vectơ không cùng phương. Từ 1+t=1+2s1+t=1+2s và 1−t=−2+s1-t=-2+s: t=2st=2s, 1−2s=−2+s1-2s=-2+s, nên s=1s=1, t=2t=2. Phương trình thứ ba: 2⋅2=5−12\cdot2=5-1, đúng.

Đáp số. Cắt nhau tại (3;−1;4)(3; -1; 4).

Bài 9

(Ôn lại Biểu thức toạ độ của các phép toán vectơ.) Ở bài trước, ta chứng minh A(1;2;−1)A(1; 2; -1), B(3;1;1)B(3; 1; 1), C(7;−1;5)C(7; -1; 5) thẳng hàng bằng vectơ cùng phương. Hãy viết phương trình tham số của đường thẳng ABAB và chỉ ra giá trị tt ứng với điểm CC.

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: u⃗=AB→\vec{u}=\overrightarrow{AB}; CC thuộc ABAB khi có một tt chung cho cả ba toạ độ.

Gợi ý các bước:

  1. AB→=(2;−1;2)\overrightarrow{AB}=(2; -1; 2).
  2. Giải 1+2t=71+2t=7 và kiểm tra.
Xem lời giải

AB:x=1+2tAB: x=1+2t, y=2−ty=2-t, z=−1+2tz=-1+2t. Từ 1+2t=71+2t=7 ta có t=3t=3; khi đó y=−1y=-1, z=5z=5, khớp với CC.

Đáp số. t=3t=3, đúng với AC→=3AB→\overrightarrow{AC}=3\overrightarrow{AB} ở bài trước.

Bài 10 Thử thách

Một tia laze xuất phát từ A(1;2;3)A(1; 2; 3), phản xạ trên một tấm gương phẳng nằm trong mặt phẳng (P):x+2y+2z−2=0(P): x+2y+2z-2=0 rồi tới B(3;2;2)B(3; 2; 2). Tìm điểm phản xạ MM trên gương. (Gợi ý: đường đi A→M→BA\to M\to B ngắn nhất khi MM nằm trên đoạn A′BA'B, với A′A' là điểm đối xứng của AA qua (P)(P).)

Kiến thức và gợi ý cách làm

Kiến thức: hình chiếu HH của AA trên (P)(P); HH là trung điểm của AA′AA'.

Gợi ý các bước:

  1. Tìm HH, rồi A′=2H−AA'=2H-A (theo toạ độ).
  2. Viết đường thẳng A′BA'B và tìm giao điểm với (P)(P).
Xem lời giải

Đường thẳng qua AA vuông góc với (P)(P): x=1+tx=1+t, y=2+2ty=2+2t, z=3+2tz=3+2t. Thay vào (P)(P): 9+9t=09+9t=0, t=−1t=-1, nên H(0;0;1)H(0; 0; 1) và A′(−1;−2;−1)A'(-1; -2; -1). Thay A′A' và BB vào vế trái của (P)(P) được −9-9 và 99, nên A′A', BB ở hai phía và cách (P)(P) bằng nhau; vì vậy MM là trung điểm của A′BA'B: M(1;0;12),1+0+2⋅12−2=0.M\left(1; 0; \tfrac12\right),\qquad 1+0+2\cdot\tfrac12-2=0. Đường đi của tia sáng dài A′B=16+16+9=41≈6,40A'B=\sqrt{16+16+9}=\sqrt{41}\approx6{,}40.

Đáp số. M(1;0;12)M\left(1; 0; \dfrac12\right).

Kiểm tra mini

Kiểm tra mini

Chấm như đề thi tốt nghiệp THPT: Phần I mỗi câu 0,25 điểm; Phần II mỗi câu tối đa 1 điểm (đúng 1, 2, 3, 4 ý được 0,1; 0,25; 0,5; 1 điểm); Phần III mỗi câu 0,5 điểm.

Phần I. Trắc nghiệm nhiều phương án lựa chọn

Câu 1. Trong không gian OxyzOxyz, một vectơ chỉ phương của đường thẳng d:{x=1−2ty=3z=−1+td: \begin{cases}x=1-2t\\ y=3\\ z=-1+t\end{cases} là
Câu 2. Điểm nào sau đây thuộc đường thẳng x−12=y+2−1=z−33\dfrac{x-1}{2}=\dfrac{y+2}{-1}=\dfrac{z-3}{3}?
Câu 3. Đường thẳng đi qua A(1;0;2)A(1; 0; 2) và vuông góc với (P):2x−y+z−3=0(P): 2x-y+z-3=0 có phương trình là
Câu 4. Cho d1:x=1+td_1: x=1+t, y=2ty=2t, z=3−tz=3-t và d2:x=sd_2: x=s, y=1+sy=1+s, z=2sz=2s. Vị trí của d1d_1 và d2d_2 là

Phần II. Trắc nghiệm đúng sai

Câu 1. Cho đường thẳng d:x=1+td: x=1+t, y=2−ty=2-t, z=−1+2tz=-1+2t và mặt phẳng (P):x+y+z−4=0(P): x+y+z-4=0.
a) u⃗=(1;−1;2)\vec{u}=(1; -1; 2) là một vectơ chỉ phương của dd.
b) dd song song với (P)(P).
c) dd cắt (P)(P) tại điểm (2;1;1)(2; 1; 1).
d) dd vuông góc với mặt phẳng (Q):x−y+2z+7=0(Q): x-y+2z+7=0.

Phần III. Trắc nghiệm trả lời ngắn

Câu 1. Đường thẳng d:x=2+td: x=2+t, y=−1+2ty=-1+2t, z=3−tz=3-t cắt mặt phẳng (P):x+y+z−10=0(P): x+y+z-10=0 tại điểm M(a;b;c)M(a; b; c). Tính a+b+ca+b+c.

Câu 2. Tính khoảng cách từ M(2;3;1)M(2; 3; 1) đến đường thẳng d:x=1+2td: x=1+2t, y=−1+ty=-1+t, z=1+2tz=1+2t (làm tròn đến hàng phần trăm).

Xem đáp án và giải thích
  1. Phần I, câu 1: C. Vectơ chỉ phương gồm các hệ số của tt: −2-2, 00, 11. Phương án A là toạ độ một điểm, B lấy số 33 không có tt, D sai dấu.
  2. Phần I, câu 2: D. Thay (1;−2;3)(1; -2; 3) cả ba phân số bằng 00. Phương án A đổi dấu toạ độ điểm, B lấy nhầm vectơ chỉ phương, C sai ở phân số thứ hai: −1+2−1=−1≠1\dfrac{-1+2}{-1}=-1\neq1.
  3. Phần I, câu 3: A. Vectơ chỉ phương là n⃗P=(2;−1;1)\vec{n}_P=(2; -1; 1). Phương án B đổi vai trò điểm và vectơ, C sai dấu toạ độ thứ hai, D lấy nhầm hệ số tự do −3-3.
  4. Phần I, câu 4: C. (1;2;−1)(1; 2; -1) và (1;1;2)(1; 1; 2) không cùng phương, nên loại A và D. Hai phương trình đầu cho s=1+ts=1+t và 2t=1+s=2+t2t=1+s=2+t, tức t=2t=2, s=3s=3; phương trình thứ ba cần 3−2=2⋅33-2=2\cdot3, vô lí. Vậy hai đường thẳng chéo nhau; chọn "song song" là quên trường hợp chéo nhau.
  5. Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Sai; c) Đúng; d) Đúng. a) Đúng. b) Sai: u⃗⋅n⃗P=1−1+2=2≠0\vec{u}\cdot\vec{n}_P=1-1+2=2\neq0. c) Đúng: thay vào được 2t−2=02t-2=0, t=1t=1, điểm (2;1;1)(2; 1; 1). d) Đúng: n⃗Q=(1;−1;2)=u⃗\vec{n}_Q=(1; -1; 2)=\vec{u}.
  6. Phần III, câu 1: 10. Thay vào: 2t−6=02t-6=0, t=3t=3, nên M(5;5;0)M(5; 5; 0) và a+b+c=10a+b+c=10. Một cách khác: MM thuộc (P)(P) nên a+b+c−10=0a+b+c-10=0.
  7. Phần III, câu 2: 3,61. MH→=(2t−1;t−4;2t)\overrightarrow{MH}=(2t-1; t-4; 2t) với H∈dH\in d; MH→⋅(2;1;2)=9t−6=0\overrightarrow{MH}\cdot(2; 1; 2)=9t-6=0, t=23t=\dfrac23. Khi đó MH→=(13;−103;43)\overrightarrow{MH}=\left(\dfrac13; -\dfrac{10}{3}; \dfrac43\right), MH=13≈3,61MH=\sqrt{13}\approx3{,}61.