Một chiếc drone cất cánh từ điểm M0(1;2;0) trên sân trường (đơn vị: mét). Nó bay thẳng, mỗi giây dịch chuyển theo vectơ u=(2;1;2). Trên cao có một vòng kiểm tra đặt tại 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 t giây, drone ở điểm M với M0M=tu. Ta ghi vài vị trí:
t (giây)
0
1
2
3
vị trí
(1;2;0)
(3;3;2)
(5;4;4)
(7;5;6)
Vị trí sau t giây là (1+2t;2+t;2t). Để tới N(9;6;8) cần 1+2t=9, 2+t=6, 2t=8. Cả ba đều cho t=4, nên drone qua vòng kiểm tra sau 4 giây. Quãng đường đã bay là 4∣u∣=4⋅3=12 m.
Đường thẳng qua M0 có vectơ chỉ phương u
Vì sao đúng? Điểm M(x;y;z) thuộc Δ khi và chỉ khi M0M cùng phương với u, tức có số t để M0M=tu. Viết theo từng toạ độ: x−x0=at, y−y0=bt, z−z0=ct. Khi abc=0, cả ba phân số đều bằng t.
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 d và mặt phẳng (P), ta thay phương trình tham số của d vào phương trình của (P) và được một phương trình bậc nhất theo t.
Hình chiếu vuông góc của một điểm
Hình chiếu H của điểm M trên mặt phẳng (P) là giao điểm của (P) với đường thẳng qua M vuông góc với (P). Hình chiếu H của M trên đường thẳng d là điểm H∈d sao cho MH⊥u.
Hình chiếu H của M trên mặt phẳng (P)
Ví dụ cuối nhiều bước hơn, nên ta làm theo bốn bước.
Thuật ngữ
Tóm tắt
Đường thẳng qua M0(x0;y0;z0), vectơ chỉ phương u=(a;b;c): x=x0+at, y=y0+bt, z=z0+ct.
Khi abc=0: ax−x0=by−y0=cz−z0.
Qua hai điểm A, B: u=AB. Vuông góc với (P): u=nP.
Hai đường thẳng: u1, u2 cùng phương thì song song hoặc trùng nhau; không cùng phương thì giải hệ theo t, s: có nghiệm là cắt nhau, vô nghiệm là chéo nhau.
Đường thẳng và mặt phẳng: thay vào được phương trình theo t; một nghiệm là cắt, vô nghiệm là song song, mọi t là nằm trong.
Hình chiếu trên (P): giao của (P) với đường thẳng qua M có vectơ chỉ phương n. Hình chiếu trên d: H∈d, MH⋅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) và có vectơ chỉ phương u=(1;4;−2). Tìm điểm ứng với t=−1 và kiểm tra xem B(4;7;−1) có thuộc đường thẳng không.
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức:x=x0+at, y=y0+bt, z=z0+ct.
Gợi ý các bước:
Viết phương trình tham số.
Thay t=−1.
Tìm t từ hoành độ của B rồi kiểm tra hai toạ độ còn lại.
Xem lời giải
x=2+t, y=−1+4t, z=3−2t. Với t=−1: (1;−5;5). Với B: 2+t=4 cho t=2, khi đó y=7, z=−1, khớp.
Đáp số.(1;−5;5); B thuộc đường thẳng (ứng với t=2).
Bài 2
Viết phương trình tham số và phương trình chính tắc của đường thẳng đi qua A(1;0;−2) và B(3;2;−1).
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức:u=AB.
Gợi ý các bước:
Tính AB.
Viết hai dạng phương trình với điểm A.
Xem lời giải
AB=(2;2;1).
⎩⎨⎧x=1+2ty=2tz=−2+t2x−1=2y=1z+2.
Đáp số. Như trên.
Bài 3
Viết phương trình đường thẳng d đi qua M(1;−1;2) và vuông góc với (P):2x−y+3z+5=0. Tìm giao điểm của d và (P).
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức:d⊥(P) thì ud=nP; giao điểm: thay phương trình tham số vào (P).
Gợi ý các bước:
Viết d với u=(2;−1;3).
Thay vào (P), giải t.
Xem lời giải
d:x=1+2t, y=−1−t, z=2+3t. Thay vào (P):
2(1+2t)−(−1−t)+3(2+3t)+5=14+14t=0⟺t=−1.
Giao điểm là (−1;0;−1).
Đáp số.(−1;0;−1).
Bài 4
Viết phương trình tham số và chính tắc của đường thẳng đi qua M(0;1;−1) và song song với Δ:2x−1=−1y+3=3z.
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức: hai đường thẳng song song có chung vectơ chỉ phương; đọc u ở các mẫu số.
Gợi ý các bước:
Đọc u=(2;−1;3).
Viết phương trình qua M.
Xem lời giải
⎩⎨⎧x=2ty=1−tz=−1+3t2x=−1y−1=3z+1.M không thuộc Δ (vì 20−1=−11+3), nên đường thẳng này song song, không trùng Δ.
Đáp số. Như trên.
Bài 5
Cho d1:⎩⎨⎧x=1+2ty=−tz=3+t và d2:−4x−3=2y+1=−2z−4. Mỗi khẳng định sau đúng hay sai?
a) u1=(2;−1;1) là một vectơ chỉ phương của d1.
b) Điểm M(3;−1;4) thuộc d1.
c) d1 song song với d2.
d) d1 vuông góc với mặt phẳng (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:
Đọc u1, u2.
Thay M vào d1 (tìm t).
So sánh u1 với nP.
Xem lời giải
a) Đúng. Hệ số của t là 2, −1, 1.
b) Đúng.t=1 cho (3;−1;4).
c) Sai.u2=(−4;2;−2)=−2u1, và M(3;−1;4) thuộc cả d2, nên hai đường thẳng trùng nhau.
d) Đúng.nP=(2;−1;1)=u1.
Đáp số. a) Đúng; b) Đúng; c) Sai; d) Đúng.
Bài 6
Một máy bay cất cánh từ điểm O(0;0;0) và bay thẳng, mỗi giây dịch chuyển theo vectơ v=(80;60;10) (đơn vị: mét). Khi máy bay đạt độ cao 1500 m, hình chiếu của nó trên mặt đất cách O bao nhiêu kilômét?
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức: vị trí sau t giây là (80t;60t;10t).
Gợi ý các bước:
Giải 10t=1500.
Hình chiếu trên mặt đất là (80t;60t;0); tính khoảng cách tới O.
Xem lời giải
t=150 giây. Hình chiếu là (12000;9000;0), cách O một khoảng 120002+90002=15000 m.
Đáp số.15.
Bài 7
Cho d:x=2+t, y=1−t, z=3+2t. Xét vị trí của d với (P1):x+y−1=0, (P2):x+3y+z−8=0, (P3):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:
Thay vào từng mặt phẳng và rút gọn theo t.
Đọc số nghiệm.
Xem lời giải
(P1): (2+t)+(1−t)−1=2=0, vô lí, nên d∥(P1).
(P2): (2+t)+3(1−t)+(3+2t)−8=0 với mọi t, nên d nằm trong (P2).
(P3): (2+t)−(1−t)+(3+2t)−6=4t−2=0, t=21, giao điểm (25;21;4).
Đáp số. Song song với (P1); nằm trong (P2); cắt (P3) tại (25;21;4).
Bài 8
Xét vị trí của hai đường thẳng d1:x=1+t, y=1−t, z=2t và d2:x=1+2s, y=−2+s, z=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 t, s.
Gợi ý các bước:
So sánh (1;−1;2) và (2;1;−1).
Giải hai phương trình đầu, rồi thử phương trình thứ ba.
Xem lời giải
Hai vectơ không cùng phương. Từ 1+t=1+2s và 1−t=−2+s: t=2s, 1−2s=−2+s, nên s=1, t=2. Phương trình thứ ba: 2⋅2=5−1, đúng.
Đáp số. Cắt nhau tại (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), B(3;1;1), C(7;−1;5) thẳng hàng bằng vectơ cùng phương. Hãy viết phương trình tham số của đường thẳng AB và chỉ ra giá trị t ứng với điểm C.
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức:u=AB; C thuộc AB khi có một t chung cho cả ba toạ độ.
Gợi ý các bước:
AB=(2;−1;2).
Giải 1+2t=7 và kiểm tra.
Xem lời giải
AB:x=1+2t, y=2−t, z=−1+2t. Từ 1+2t=7 ta có t=3; khi đó y=−1, z=5, khớp với C.
Đáp số.t=3, đúng với AC=3AB ở bài trước.
Bài 10 Thử thách
Một tia laze xuất phát từ A(1;2;3), phản xạ trên một tấm gương phẳng nằm trong mặt phẳng (P):x+2y+2z−2=0 rồi tới B(3;2;2). Tìm điểm phản xạ M trên gương. (Gợi ý: đường đi A→M→B ngắn nhất khi M nằm trên đoạn A′B, với A′ là điểm đối xứng của A qua (P).)
Kiến thức và gợi ý cách làm
Kiến thức: hình chiếu H của A trên (P); H là trung điểm của AA′.
Gợi ý các bước:
Tìm H, rồi A′=2H−A (theo toạ độ).
Viết đường thẳng A′B và tìm giao điểm với (P).
Xem lời giải
Đường thẳng qua A vuông góc với (P): x=1+t, y=2+2t, z=3+2t. Thay vào (P): 9+9t=0, t=−1, nên H(0;0;1) và A′(−1;−2;−1).
Thay A′ và B vào vế trái của (P) được −9 và 9, nên A′, B ở hai phía và cách (P) bằng nhau; vì vậy M là trung điểm của A′B:
M(1;0;21),1+0+2⋅21−2=0.
Đường đi của tia sáng dài A′B=16+16+9=41≈6,40.
Đáp số.M(1;0;21).
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 Oxyz, một vectơ chỉ phương của đường thẳng d:⎩⎨⎧x=1−2ty=3z=−1+t là
Đáp án: C.
Vectơ chỉ phương gồm các hệ số của t: −2, 0, 1. Phương án A là toạ độ một điểm, B lấy số 3 không có t, D sai dấu.
Câu 2. Điểm nào sau đây thuộc đường thẳng 2x−1=−1y+2=3z−3?
Đáp án: D.
Thay (1;−2;3) cả ba phân số bằng 0. Phương án A đổi dấu toạ độ điểm, B lấy nhầm vectơ chỉ phương, C sai ở phân số thứ hai: −1−1+2=−1=1.
Câu 3. Đường thẳng đi qua A(1;0;2) và vuông góc với (P):2x−y+z−3=0 có phương trình là
Đáp án: A.
Vectơ chỉ phương là nP=(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.
Câu 4. Cho d1:x=1+t, y=2t, z=3−t và d2:x=s, y=1+s, z=2s. Vị trí của d1 và d2 là
Đáp án: C.
(1;2;−1) và (1;1;2) không cùng phương, nên loại A và D. Hai phương trình đầu cho s=1+t và 2t=1+s=2+t, tức t=2, s=3; phương trình thứ ba cần 3−2=2⋅3, vô lí. Vậy hai đường thẳng chéo nhau; chọn "song song" là quên trường hợp chéo nhau.
Phần II. Trắc nghiệm đúng sai
Câu 1. Cho đường thẳng d:x=1+t, y=2−t, z=−1+2t và mặt phẳng (P):x+y+z−4=0.
a)u=(1;−1;2) là một vectơ chỉ phương của d.
b)d song song với (P).
c)d cắt (P) tại điểm (2;1;1).
d)d vuông góc với mặt phẳng (Q):x−y+2z+7=0.
Đáp án: a) Đúng; b) Sai; c) Đúng; d) Đúng.
a) Đúng. b) Sai: u⋅nP=1−1+2=2=0. c) Đúng: thay vào được 2t−2=0, t=1, điểm (2;1;1). d) Đúng: nQ=(1;−1;2)=u.
Phần III. Trắc nghiệm trả lời ngắn
Câu 1. Đường thẳng d:x=2+t, y=−1+2t, z=3−t cắt mặt phẳng (P):x+y+z−10=0 tại điểm M(a;b;c). Tính a+b+c.
Đáp án: 10.
Thay vào: 2t−6=0, t=3, nên M(5;5;0) và a+b+c=10. Một cách khác: M thuộc (P) nên a+b+c−10=0.
Câu 2. Tính khoảng cách từ M(2;3;1) đến đường thẳng d:x=1+2t, y=−1+t, z=1+2t (làm tròn đến hàng phần trăm).
Đáp án: 3,61.
MH=(2t−1;t−4;2t) với H∈d; MH⋅(2;1;2)=9t−6=0, t=32. Khi đó MH=(31;−310;34), MH=13≈3,61.
Xem đáp án và giải thích
Phần I, câu 1: C. Vectơ chỉ phương gồm các hệ số của t: −2, 0, 1. Phương án A là toạ độ một điểm, B lấy số 3 không có t, D sai dấu.
Phần I, câu 2: D. Thay (1;−2;3) cả ba phân số bằng 0. Phương án A đổi dấu toạ độ điểm, B lấy nhầm vectơ chỉ phương, C sai ở phân số thứ hai: −1−1+2=−1=1.
Phần I, câu 3: A. Vectơ chỉ phương là nP=(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.
Phần I, câu 4: C. (1;2;−1) và (1;1;2) không cùng phương, nên loại A và D. Hai phương trình đầu cho s=1+t và 2t=1+s=2+t, tức t=2, s=3; phương trình thứ ba cần 3−2=2⋅3, vô lí. Vậy hai đường thẳng chéo nhau; chọn "song song" là quên trường hợp chéo nhau.
Phần II, câu 1: a) Đúng; b) Sai; c) Đúng; d) Đúng. a) Đúng. b) Sai: u⋅nP=1−1+2=2=0. c) Đúng: thay vào được 2t−2=0, t=1, điểm (2;1;1). d) Đúng: nQ=(1;−1;2)=u.
Phần III, câu 1: 10. Thay vào: 2t−6=0, t=3, nên M(5;5;0) và a+b+c=10. Một cách khác: M thuộc (P) nên a+b+c−10=0.
Phần III, câu 2: 3,61. MH=(2t−1;t−4;2t) với H∈d; MH⋅(2;1;2)=9t−6=0, t=32. Khi đó MH=(31;−310;34), MH=13≈3,61.