5/5 trong 1 Đánh giá

Thứ tư, ngày 29/03/2023, 06:03 (GMT +7)

Phương trình đường thẳng trong không gian tọa độ Oxyz VD VDC phần 1

Phương trình đường thẳng trong không gian tọa độ $Oxyz$ VD VDC gồm có 2 phần , phần 1 gồm các câu hỏi từ câu 1 đến câu 26, phần 2 gồm các câu hỏi từ câu 27 đến câu 56. Chuyên đề này gồm các câu hỏi ở mức vận dụng và vận dụng cao của bài toán viết phương trình đường thẳng trong không gian tọa độ $Oxyz$

Sau đây chúng tôi xin giới thiệu quý thầy cô và các em học sinh phần 1 của chuyên đề này.

Câu 1. Trong không gian với hệ tọa độ $Oxyz$, cho điểm $M\left( 3\,;\,3\,;\,-2 \right)$ và hai đường thẳng ${{d}_{1}}:\,\frac{x-1}{1}=\frac{y-2}{3}=\frac{z}{1}$; ${{d}_{2}}:\frac{x+1}{-1}=\frac{y-1}{2}=\frac{z-2}{4}$. Đường thẳng $d$ đi qua $M$ cắt ${{d}_{1}},\,\,{{d}_{2}}$ lần lượt tại $A$ và $B$. Độ dài đoạn thẳng $AB$ bằng

A. $\sqrt{6}$.       B. 3.       C. 4.       D. 2.

Lời giải:

Ta có phương trình tham số của ${{d}_{1}}:\left\{ \begin{align}& x=1+{{t}_{1}} \\ & y=2+3{{t}_{1}} \\  & z={{t}_{1}} \\ \end{align} \right.;\,{{t}_{1}}\in \mathbb{R}$, $A\in {{d}_{1}}\Rightarrow A\left( 1+{{t}_{1}}\,;\,2+3{{t}_{1}}\,;\,{{t}_{1}} \right)$;

phương trình tham số của ${{d}_{2}}:\left\{ \begin{align}& x=-1-{{t}_{2}} \\  & y=1+2{{t}_{2}} \\ & z=2+4{{t}_{2}} \\ \end{align} \right.;\,{{t}_{2}}\in \mathbb{R}$, $B\in {{d}_{2}}\Rightarrow B\left( -1-{{t}_{2}}\,;\,1+2{{t}_{2}}\,;2+4\,{{t}_{2}} \right)$;

$\overrightarrow{MA}=\left( {{t}_{1}}-2\,;\,3{{t}_{1}}-1\,;\,{{t}_{1}}+2 \right);\,\overrightarrow{MB}=\left( -4-4{{t}_{2}}\,;\,-2+2{{t}_{2}}\,;\,4+4{{t}_{2}} \right)$.

Vì $A,\,B,\,M\,$ thẳng hàng nên $\overrightarrow{MA}=k\overrightarrow{MB},\,k\in \mathbb{R}$

$\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}& {{t}_{1}}-2=-4k-k{{t}_{2}} \\ & 3{{t}_{1}}-1=-2k+2k{{t}_{2}} \\  & {{t}_{1}}+2=4k+4k{{t}_{2}} \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}& {{t}_{1}}+4k+k{{t}_{2}}=2 \\ & 3{{t}_{1}}+2k-2k{{t}_{2}}=1 \\  & {{t}_{1}}-4k-4k{{t}_{2}}=-2 \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}& {{t}_{1}}=0 \\ & k=\frac{1}{2} \\  & k{{t}_{2}}=0 \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align} & {{t}_{1}}=0 \\ & k=\frac{1}{2} \\ & {{t}_{2}}=0 \\ \end{align} \right.$.

Vậy $A\left( 1\,;\,2\,;\,0 \right)$ và $B\left( -1\,;\,1;\,2 \right)\Rightarrow \overrightarrow{AB}=\left( -2\,;\,-1\,;\,2 \right)$. Độ dài đoạn thẳng $AB=\left| \overrightarrow{AB} \right|=3$.

Câu 2. Trong không gian $Oxyz$, cho điểm $M\left( 1;\,2;\,3 \right)$. Đường thẳng $d$ đi qua điểm $M$, $d$ cắt tia $Ox$ tại $A$ và cắt mặt phẳng $\left( Oyz \right)$ tại $B$ sao cho $MA=2MB$. Độ dài đọan $AB$ bằng

A. $\frac{3\sqrt{17}}{2}$.       B. $\frac{5\sqrt{17}}{2}$.       C. $\sqrt{17}$.       D. $\frac{\sqrt{17}}{2}$.

Lời giải:

Giả sử điểm $A\left( a;\,0;\,0 \right)$ $\left( a>0 \right)$ và điểm $B\left( 0;\,b;\,c \right)$. Khi đó $\overrightarrow{MA}=\left( a-1;\,-2;\,-3 \right)$ và $\overrightarrow{MB}=\left( -1;\,b-2;\,c-3 \right)$

Theo giả thiết $MA=2MB$ nên ta có hai trường hợp.

Trường hợp 1. $\overrightarrow{MA}=2\overrightarrow{MB}\Rightarrow a-1=-2\Rightarrow a=-1$ không thỏa mãn điều kiện $a>0$

Trường hợp 2. $\overrightarrow{MA}=-2\overrightarrow{MB}$ $\Rightarrow \left\{ \begin{align}& a-1=2 \\  & -2=-2\left( b-2 \right) \\  & -3=-2\left( c-3 \right) \\ \end{align} \right.$ $\Rightarrow \left\{ \begin{align}& a=3 \\  & b=3 \\  & c=\frac{9}{2} \\ \end{align} \right.$ $\Rightarrow A\left( 3;\,0;\,0 \right)$ và $B\left( 0;\,3;\,\frac{9}{2} \right)$.

Vậy $AB=\sqrt{{{\left( 0-3 \right)}^{2}}+{{\left( 3-0 \right)}^{2}}+{{\left( \frac{9}{2}-0 \right)}^{2}}}=\frac{3\sqrt{17}}{2}$.

Câu 3. Cho hai đường thẳng $d:\left\{ \begin{array}{*{35}{l}}x=-2  \\y=t  \\z=2+2t  \\\end{array}(t\in \mathbb{R}), \right.$ $\Delta :\frac{x-3}{1}=\frac{y-1}{-1}=\frac{z-4}{1}$ và mặt phẳng $(P):x+y-z+2=0$. Gọi ${{d}^{\prime }},{{\Delta }^{\prime }}$ lần lượt là hình chiếu của $d$ và $\Delta $ lên mặt phẳng $(P)$. Gọi $M(a;b;c)$ là giao điểm của hai đường thẳng ${{d}^{\prime }}$ và ${{\Delta }^{\prime }}$. Giá trị của $a+bc$ bằng

A. 3.       B. 4.       C. 5.       D. 6.

Lời giải:

* Đường thẳng $d$ đi qua $E\left( -2;0;2 \right),$ vectơ chỉ phương $\overrightarrow{{{u}_{1}}}=\left( 0;1;2 \right)$. Đường thẳng $\Delta $ đi qua $F\left( 3;1;4 \right),$ vectơ chỉ phương $\overrightarrow{{{u}_{2}}}=\left( 1;-1;1 \right)$. Mặt phẳng $(P):x+y-z+2=0$ có vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}=\left( 1;1;-1 \right)$.

* Mặt phẳng $\left( Q \right)$ chứa $d$ vuông góc mặt phẳng $(P)$ đi qua $E,$ nhận $\overrightarrow{{{n}_{1}}}=\left[ \overrightarrow{{{u}_{1}}},\overrightarrow{n} \right]=\left( -3;2;-1 \right)$ làm vectơ pháp tuyến có phương trình: $\left( Q \right):-3x+2y-z-4=0$. Đường thẳng $d$ cắt $(P)$ tại $K\left( -2;-2;-2 \right)$.

* Đường thẳng ${{d}^{\prime }}$ đi qua $K\left( -2;-2;-2 \right)$ nhận $\overrightarrow{{{u}_{3}}}=\left[ \overrightarrow{n},\overrightarrow{{{n}_{Q}}} \right]=\left( 1;4;5 \right)$ làm vectơ chỉ phương có phương trình là $\left\{ \begin{align} & x=-2+{{t}_{1}} \\ & y=-2+4{{t}_{1}} \\  & z=-2+5{{t}_{1}} \\ \end{align} \right.$.

* Mặt phẳng $\left( R \right)$ chứa $\Delta $vuông góc mặt phẳng $(P)$ đi qua $F\left( 3;1;4 \right),$  $\left[ \overrightarrow{{{u}_{2}}},\overrightarrow{n} \right]=\left( 0;2;2 \right)$ chọn $\overrightarrow{{{n}_{2}}}=\left( 0;1;1 \right)$ làm vectơ pháp tuyến có phương trình: $\left( R \right):y+z-5=0$. Đường thẳng $\Delta $ cắt $(P)$ tại $S\left( 5;-1;6 \right)$.

* Đường thẳng ${{\Delta }^{\prime }}$đi qua $S\left( 5;-1;6 \right)$, $\left[ \overrightarrow{n},\overrightarrow{{{n}_{R}}} \right]=\left( -4;2;-2 \right)$ chọn $\overrightarrow{{{u}_{4}}}=\left( -2;1;-1 \right)$ làm vectơ chỉ phương có phương trình là $\left\{ \begin{align}& x=5-2{{t}_{2}} \\  & y=-1+{{t}_{2}} \\ & z=6-{{t}_{2}} \\ \end{align} \right.$.

* Tọa độ giao điểm của ${{d}^{\prime }}$và ${{\Delta }^{\prime }}$ là nghiệm của hệ phương trình sau $\left\{ \begin{align}& -2+{{t}_{1}}=5-2{{t}_{2}} \\ & -2+4{{t}_{1}}=-1+{{t}_{2}} \\ & -2+5{{t}_{1}}=6-{{t}_{2}} \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}& {{t}_{1}}=1 \\ & {{t}_{2}}=3 \\ \end{align} \right.$.

Suy ra $M\left( -1;2;3 \right)$ nên $a=-1;b=2;c=3$. Kết quả: $a+bc=5.$

Câu 4. Trong không gian với hệ tọa độ $Oxyz$, cho mặt phẳng $\left( P \right):2x-y+z-10=0$ và đường thẳng $d:\frac{x+2}{2}=\frac{y-1}{1}=\frac{z-1}{-1}$. Đường thẳng $\Delta $ cắt $\left( P \right)$ và $d$ lần lượt tại $M$ và $N$ sao cho $A\left( 3;2;1 \right)$ là trung điểm của $MN$. Độ dài đoạn $MN$ bằng

A. $4\sqrt{6}$.       B. $2\sqrt{6}$.       C. $6\sqrt{2}$.       D. $2\sqrt{14}$.

Lời giải:

Do $N=\Delta \cap d$ nên gọi $N\left( -2+2t;1+t;1-t \right)$.

Mà $A\left( 3;2;1 \right)$ là trung điểm của $MN$ $\Rightarrow M\left( 8-2t;3-t;1+t \right)$.

Mặt khác, $M\in \left( P \right)\Rightarrow 2\left( 8-2t \right)-\left( 3-t \right)+1+t-10=0\Leftrightarrow -2t+4=0\Leftrightarrow t=2$.

Suy ra: $M\left( 4;1;3 \right)$ và $N\left( 2;3;-1 \right)$.

Vậy độ dài $MN=\sqrt{{{\left( -2 \right)}^{2}}+{{2}^{2}}+{{\left( -4 \right)}^{2}}}=2\sqrt{6}$.

Câu 5. Trong không gian $Oxyz$, cho đường thẳng $d:\frac{x}{1}=\frac{y-4}{-3}=\frac{z+2}{4}$ và mặt phẳng $\left( P \right):x-y+2z-4=0$. Đường thẳng đối xứng với $d$ qua $\left( P \right)$ đi qua điểm nào trong các điểm sau:

A. $E\left( -2;2;-2 \right)$.       B. $F\left( 1;1;-2 \right)$.       C. $G\left( 4;2;6 \right)$.       D. $Q\left( 0;0;6 \right)$.

Lời giải:

* Mặt phẳng $\left( P \right)$ có một vectơ pháp tuyến là $\overrightarrow{n}=\left( 1\,;\,-1\,;\,2 \right)$.

* Gọi $I=d\cap \left( P \right)$ $\Rightarrow I\left( t\,;\,4-3t\,;\,4t-2 \right)$.

$I\in \left( P \right)$ nên $t-\left( 4-3t \right)+2\left( 4t-2 \right)-4=0$ $\Leftrightarrow t=1$ $\Rightarrow I\left( 1;1;2 \right)$.

* Ta có $M\left( 2;-2;6 \right)\in d$. Gọi $H$ là hình chiếu của $M$ trên mặt phẳng $\left( P \right)$.

Khi đó $MH$ đi qua $M$, có một vectơ chỉ phương là $\overrightarrow{n}=\left( 1\,;\,-1\,;\,2 \right)$ $\Rightarrow MH:\left\{ \begin{align}& x=2+a \\ & y=-2-a \\  & z=6+2a \\ \end{align} \right.$ $\Rightarrow H\left( 2+m\,;\,-2-m\,;\,6+2m \right)$.

$H\in \left( P \right)$ nên $2+m-\left( -2-m \right)+2\left( 6+2m \right)-4=0$$\Leftrightarrow m=-2$ $\Rightarrow H\left( 0\,;0\,;\,2 \right)$.

* Gọi $K$ là điểm đối xứng với $M$ qua $\left( P \right)$$\Rightarrow $$H$ là trung điểm của $MK$$\Rightarrow $ $K\left( -2;2;-2 \right)$.

Vậy đường thẳng $d'$ đối xứng với $d$ qua $\left( P \right)$ là đường thẳng đi qua hai điểm $I\left( 1;1;2 \right)$ và $K\left( -2;2;-2 \right)$ nên $d'$ có một vectơ chỉ phương là $\overrightarrow{KI}=\left( 3;-1;4 \right)$ $\Rightarrow $ $d':\frac{x-1}{3}=\frac{y-1}{-1}=\frac{z-2}{4}$.

Suy ra $d'$ đi qua $E\left( -2;2;-2 \right)$.

Câu 6. Trong không gian với hệ tọa độ $Oxyz$, cho mặt phẳng $\left( P \right):x+y-z-3=0$ và hai điểm $M\left( 1;1;1 \right)$, $N\left( -3;-3;-3 \right)$. Mặt cầu $\left( S \right)$ đi qua $M,\,\,N$ và tiếp xúc với mặt phẳng $\left( P \right)$ tại điểm $Q$. Biết rằng $Q$ luôn thuộc một đường tròn cố định. Bán kính của đường tròn cố định đó là

A. $R=\frac{2\sqrt{11}}{3}$.       B. $R=6$.       C. $R=\frac{2\sqrt{33}}{3}$.       D. $R=4$.

Lời giải:

* Đường thẳng $MN$ có phương trình là: $MN:\left\{ \begin{align}& x=1+t \\ & y=1+t \\ & z=1+t \\ \end{align} \right.$.

* Gọi $I=MN\cap \left( P \right)$ khi đó tọa độ điểm $I$ ứng với $t$ thỏa mãn:

$1+t+1+t-1-t-3=0\Leftrightarrow t-2=0\Leftrightarrow t=2$ $\Rightarrow I\left( 3;3;3 \right)\Rightarrow IM=2\sqrt{3},{ }IN=6\sqrt{3}$.

* Do mặt cầu $\left( S \right)$ đi qua $M,\,\,N$ và tiếp xúc với đường thẳng $IQ$ tại điểm $Q$ nên ta có: $I{{Q}^{2}}=IM.IN=K{{I}^{2}}-{{R}^{2}}\Rightarrow I{{Q}^{2}}=IM.IN=36\Leftrightarrow IQ=6$

Vậy $Q$ luôn thuộc đường tròn tâm $I$ bán kính $R=6$.

Câu 7. Trong không gian ${Oxyz}$, cho hai mặt cầu ${\left( {{S}_{1}} \right)\,\,}$, ${\left( {{S}_{2}} \right)\,}$ có phương trình lần lượt là ${\left( {{S}_{1}} \right):{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}=25\,}$, ${\left( {{S}_{2}} \right):{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{\left( z-1 \right)}^{2}}=4\,}$. Một đường thẳng ${d}$ vuông góc với vectơ ${\vec{u}=\left( 1;-1;0 \right)\,}$ tiếp xúc với mặt cầu ${\left( {{S}_{2}} \right)\,}$ và cắt mặt cầu ${\left( {{S}_{1}} \right)\,}$ theo một đoạn thẳng có độ dài bằng 8. Vectơ nào sau đây là vectơ chỉ phương của ${d}$?

A. ${{\vec{u}}_{1}}=\left( 1;1;\sqrt{3} \right)$.       B. ${{\vec{u}}_{2}}=\left( 1;1;\sqrt{6} \right)$.       C. ${{\vec{u}}_{3}}=\left( 1;1;0 \right)$.       D. ${{\vec{u}}_{4}}=\left( 1;1;-\sqrt{3} \right)$.

Lời giải:

Mặt cầu $\left( {{S}_{1}} \right)$ có tâm $O\left( 0;0;0 \right)$, bán kính ${{R}_{1}}=5$.

Mặt cầu $\left( {{S}_{2}} \right)$ có tâm $I\left( 0;0;1 \right)$, bán kính ${{R}_{2}}=2$.

Có $OI=1<{{R}_{1}}-{{R}_{2}}$ nên $\left( {{S}_{2}} \right)$ nằm trong mặt cầu $\left( {{S}_{1}} \right)$.

Giả sử $d$ tiếp xúc với $\left( {{S}_{2}} \right)$ tại $H$ và cắt mặt cầu $\left( {{S}_{1}} \right)$ tại $M$, $N$. Gọi $K$ là trung điểm $MN$.

Khi đó $IH={{R}_{2}}=2$ và $OH\ge OK$.

Theo giả thiết $MN=8\Rightarrow MK=4$$\Rightarrow OK=\sqrt{R_{1}^{2}-M{{K}^{2}}}=\sqrt{{{5}^{2}}-{{4}^{2}}}=3$.

Có $OI=1$, $IH=2$ $\Rightarrow OK=OI+IH\ge OH\ge OK$. Do đó $OH=OK$, suy ra $H\equiv K$, tức $d$ vuông góc với đường thẳng $OI$.

Đường thẳng $d$ cần tìm vuông góc với véc tơ $\vec{u}=\left( 1;-1;0 \right)$ và vuông góc với $\overrightarrow{OI}=\left( 0;0;1 \right)$ nên có vectơ chỉ phương ${{\vec{u}}_{3}}=\left[ \overrightarrow{OI},\vec{u} \right]=\left( 1;1;0 \right)$.

Câu 8. Trong không gian $Oxyz$, cho mặt cầu $\left( S \right):{{\left( x-1 \right)}^{2}}+{{\left( y+2 \right)}^{2}}+{{\left( z-3 \right)}^{2}}=25$ và đường thẳng $d:\frac{x}{3}=\frac{y-2}{5}=\frac{z+3}{-4}$. Có bao nhiêu điểm $M$ thuộc trục tung, với tung độ là số nguyên, mà từ $M$ kẻ được đến $\left( S \right)$ hai tiếp tuyến cùng vuông góc với $d$?

A. 7.       B. 9.       C. 14.       D. 26.

Lời giải:

Mặt cầu $\left( S \right)$ có $I\left( 1;\,-2;3 \right)$, bán kính $R=5$.

Vì $M\in Oy$ nên $M\left( 0;\,m;\,0 \right).$

Gọi $\left( P \right)$ là mặt phẳng đi qua $M$ và vuông góc với đường thẳng $d$ $\Rightarrow $ phương trình mặt phẳng $\left( P \right)$ là $3x+5y-4z-5m=0$.

Khi đó $\left( P \right)$ chứa hai tiếp tuyến với mặt cầu kẻ từ $M$ và cùng vuông góc với $d.$

Để tồn tại các tiếp tuyến thỏa mãn bài toán điều kiện là

$\left\{ \begin{align}& d\left( I,\,\left( P \right) \right)R \\ \end{align} \right.$  $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}& \frac{\left| -19-5m \right|}{5\sqrt{2}}<5 \\ & \sqrt{{{\left( m+2 \right)}^{2}}+10}>5 \\ \end{align} \right.$  $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}& \left| 5m+19 \right|<25\sqrt{2} \\ & {{\left( m+2 \right)}^{2}}>15 \\ \end{align} \right.$ . . . $\Leftrightarrow \left[ \begin{align} & \sqrt{15}-2<m<\frac{25\sqrt{2}-19}{5} \\ & \frac{-25\sqrt{2}-19}{5}<m<-\sqrt{15}-2 \\ \end{align} \right.$

Vì $m$ là số nguyên nên $m\in \left\{ 2;3;-10;...;-6 \right\}$.

Vậy có 7 giá trị nguyên của $m$ thỏa mãn bài toán.

Câu 9. Trong không gian $Oxyz$, cho mặt cầu $\left( S \right):{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}-4x+12y+6z+24=0$. Hai điểm $M,\,N$ thuộc $\left( S \right)$ sao cho $MN=8$ và $O{{M}^{2}}-O{{N}^{2}}=-112$. Khoảng cách từ $O$ đến đường thẳng $MN$ bằng

A. 4.       B. 3.       C. $2\sqrt{3}$.       D. $\sqrt{3}$.

Lời giải:

Ta có: $\left( S \right)$ có tâm $I\left( 2;-6;-3 \right)$ và bán kính $R=5$.

Ta có: $\overrightarrow{OI}=\left( 2;-6;-3 \right)\Rightarrow OI=7$.

Gọi $H$ là trung điểm $MN\Rightarrow IH=\sqrt{{{R}^{2}}-\frac{M{{N}^{2}}}{4}}=3$.

Ta có: $O{{M}^{2}}-O{{N}^{2}}=-112\Rightarrow {{\left( \overrightarrow{OM} \right)}^{2}}-{{\left( \overrightarrow{ON} \right)}^{2}}=-112\Rightarrow {{\left( \overrightarrow{OI}+\overrightarrow{IM} \right)}^{2}}-{{\left( \overrightarrow{OI}+\overrightarrow{IN} \right)}^{2}}=-112$

$\Rightarrow 2\overrightarrow{OI}{{\left( \overrightarrow{IM}-\overrightarrow{IN} \right)}^{2}}=-112\Rightarrow \overrightarrow{OI}.\overrightarrow{MN}=56$.

Ta lại có: $\overrightarrow{OI}.\overrightarrow{MN}=OI.MN.\cos \left( \overrightarrow{OI},\overrightarrow{MN} \right)=56\Rightarrow \cos \left( \overrightarrow{OI},\overrightarrow{MN} \right)=1\Rightarrow OI{//}MN$.

Do $OI{//}MN\Rightarrow d\left( O;MN \right)=d\left( I;MN \right)=IH=3$.

Câu 10. Trong không gian $Oxyz$, cho mặt cầu $\left( S \right):{{\left( x-1 \right)}^{2}}+{{\left( y-2 \right)}^{2}}+{{\left( z-1 \right)}^{2}}={{3}^{2}}$, mặt phẳng $\left( P \right):x-y+z+3=0$ và điểm $N\left( 1\,;\,0\,;\,-4 \right)$ thuộc $\left( P \right)$. Một đường thẳng $\Delta $ đi qua $N$ nằm trong $\left( P \right)$ cắt $\left( S \right)$ tại hai điểm $A,B$ thỏa mãn $AB=4$. Gọi $\overrightarrow{u}=\left( 1\,;\,b\,;\,c \right),\,\,\,\left( c>0 \right)$ là một vectơ chỉ phương của $\Delta $, tổng $b+c$ bằng

A. $-1$.       B. 1.       C. 3.       D. 45.

Lời giải:

Ta có $\Delta \subset \left( P \right)$ nên $\overrightarrow{u}\bot \overrightarrow{{{n}_{P}}}\Leftrightarrow \overrightarrow{u}.\overrightarrow{{{n}_{P}}}=0\Leftrightarrow 1.1-1.b+1.c=0\Leftrightarrow b=c+1\Rightarrow \overrightarrow{u}=\left( 1\,;\,c+1\,;\,c \right)$.

Mặt cầu $\left( S \right)$ có tâm $I\left( 1\,;\,2\,;\,1 \right)$ và bán kính $R=3$.

Gọi $H$ là hình chiếu vuông góc của $I$ lên $\left( P \right)$, suy ra $IH\bot \left( P \right)\Rightarrow IH\bot AB$.

Gọi $M$ là hình chiếu vuông góc của $H$ lên $\Delta $, suy ra $M$ là trung điểm $AB$ nên $AM=\frac{AB}{2}=2$

Ta có $\left\{ \begin{align}& AB\bot IH \\ & AB\bot HM \\ \end{align} \right.$ $\Rightarrow IM\bot AB$.

Khi đó $d\left( I,\Delta  \right)=IM=\sqrt{I{{A}^{2}}-A{{M}^{2}}}=\sqrt{{{3}^{2}}-{{2}^{2}}}=\sqrt{5}$.

Ta có $\overrightarrow{IN}=\left( 0\,;\,-2\,;\,-5 \right)$ và $\overrightarrow{u}=\left( 1\,;\,c+1\,;\,c \right)$ nên $\left[ \overrightarrow{IN}\,,\,\overrightarrow{u} \right]=\left( 3c+5\,;\,-5\,;\,2 \right)$.

Khi đó $d\left( I,\Delta  \right)=\sqrt{5}$ $\Leftrightarrow \frac{\left| \left[ \overrightarrow{IN}\,,\,\overrightarrow{u} \right] \right|}{\left| \overrightarrow{u} \right|}=\sqrt{5}$ $\Leftrightarrow \frac{\sqrt{{{\left( 3c+5 \right)}^{2}}+{{\left( -5 \right)}^{2}}+{{2}^{2}}}}{\sqrt{{{1}^{2}}+{{\left( c+1 \right)}^{2}}+{{c}^{2}}}}=\sqrt{5}$ $\Leftrightarrow \left[ \begin{align} & c=-2 \\  & c=22 \\ \end{align} \right.$.

Do $c>0$ nên $c=22\Rightarrow b=22+1=23$.

Vậy $b+c=23+22=45$.

Câu 11. Trong không gian với hệ tọa độ $Oxyz$, mặt phẳng $\left( \alpha  \right)$ vuông góc với mặt phẳng $\left( P \right):2x-y-2z+10=0$, đồng thời $\left( \alpha  \right)$ song song và cách đường thẳng $\Delta :\frac{x-1}{1}=\frac{y}{1}=\frac{z+2}{-3}$ một khoảng bằng $\sqrt{2}$ có phương trình là

A. $5x-4y+3z-9=0$ hoặc $5x-4y+3z+9=0$.       B. $5x+4y+3z+11=0$ hoặc $5x+4y+3z-11=0$.       C. $5x-4y+3z+9=0$ hoặc $5x-4y+3z-11=0$.       D. $5x+4y+3z+11=0$ hoặc $5x+4y+3z-9=0$.

Lời giải:

Ta có$\left( P \right):2x-y-2z+10=0$ có VTPT $\overrightarrow{n}=\left( 2\ ;\ -1\ ;\ -2\  \right)$.

Đường thẳng $\Delta :\frac{x-1}{1}=\frac{y}{1}=\frac{z+2}{-3}$ có VTCP $\overrightarrow{u}=\left( 1\ ;\ 1\ ;\ -3\  \right)$và đi qua $A\left( 1\ ;\ 0\ ;\ -2\  \right)$.

Mặt phẳng $\left( \alpha  \right)$ vuông góc với mặt phẳng $\left( P \right):2x-y-2z+10=0$ và song song với đường thẳng $\Delta :\frac{x-1}{1}=\frac{y}{1}=\frac{z+2}{-3}$ nên VTPT của $\left( \alpha  \right)$ là ${{\overrightarrow{n}}_{\alpha }}=\left[ \overrightarrow{n};\overrightarrow{u} \right]=\left( 5\ ;\ 4\ ;\ 3\  \right)$.

Phương trình mặt phẳng $\left( \alpha  \right)$có dạng $\left( \alpha  \right):5x+4y+3z+D=0$.

Lại có $d\left( \left( P \right);\Delta  \right)=\sqrt{2}$

$\Rightarrow d\left( A;(P \right)=\sqrt{2}$ $\Leftrightarrow \frac{\left| 5.1+4.0+3.(-2)+D \right|}{\sqrt{25+16+9}}=\sqrt{2}$ $\Leftrightarrow \left| D-1 \right|=10$ $\Leftrightarrow \left[ \begin{align} & D=-9 \\ & D=11 \\ \end{align} \right.$.

Vậy mặt phẳng $\left( \alpha  \right)$ là $5x+4y+3z-9=0$ hoặc $5x+4y+3z+11=0$.

Câu 12. Trong $Oxyz$, cho mặt phẳng $\left( P \right):x+2y+z-4=0$và đường thẳng $d:\frac{x+1}{2}=\frac{y}{1}=\frac{z+2}{3}$. Đường thẳng $\Delta $ nằm trong mặt phẳng $\left( P \right)$ đồng thời cắt và vuông góc với đường thẳng $d$ có phương trình là:

A. $\frac{x+1}{5}=\frac{y+3}{-1}=\frac{z-1}{3}$.       B. $\frac{x-1}{5}=\frac{y-1}{2}=\frac{z-1}{3}$.       C. $\frac{x-1}{5}=\frac{y+1}{-1}=\frac{z-1}{2}$.       D. $\frac{x-1}{5}=\frac{y-1}{-1}=\frac{z-1}{-3}$.

Lời giải:

Mặt phẳng $\left( P \right)$ có véctơ pháp tuyến $\overrightarrow{{{n}_{p}}}=\left( 1;2;1 \right)$

Đường thẳng $d$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{{{u}_{d}}}=\left( 2;1;3 \right)$

Vì $\overrightarrow{n}.\overrightarrow{u}=7\ne 0$ nên đường thẳng $\left( d \right)$ và mặt phẳng $\left( P \right)$ cắt nhau.

Gọi $H=d\cap \left( P \right)\Rightarrow $ Tọa độ điểm $H$ là nghiệm của hệ phương trình: $\left\{ \begin{align}& x+2y+z-4=0 \\ & \frac{x+1}{2}=\frac{y}{1}=\frac{z+2}{3} \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align} & x=1 \\ & y=1 \\ & z=1 \\ \end{align} \right.$ $\Rightarrow H=\left( 1;1;1 \right)$.

Vì đường thắng $\Delta $ nằm trong mặt phẳng $\left( P \right)$ đồng thời cắt và vuông góc với đường thẳng $d$ nên đường thẳng $\Delta $ đi qua điểm $H$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{{{u}_{\Delta }}}=\left[ \overrightarrow{{{n}_{p}}},\overrightarrow{{{u}_{d}}} \right]=\left( 5;-1;-3 \right)$.

Vậy phương trình đường thẳng $\Delta $ là: $\frac{x-1}{5}=\frac{y-1}{-1}=\frac{z-1}{-3}.$

Câu 13. Trong không gian $Oxyz$, cho hai điểm $A\left( 3;1;1 \right)$, $B\left( 3;-2;-2 \right)$. Điểm $M$ thuộc mặt phẳng $\left( Oxz \right)$ sao cho các đường thẳng $MA$, $MB$ luôn tạo với mặt phẳng $\left( Oxz \right)$ các góc bằng nhau. Biết rằng điểm $M$ luôn thuộc đường tròn $\left( C \right)$ cố định. Bán kính $R$ của đường tròn $\left( C \right)$ là

A. $R=1$.       B. $R=2\sqrt{2}$.       C. $R=8$.       D. $R=2$.

Lời giải:

Ta có $M\left( x;0;z \right)\in \left( Oxz \right)$, $\overrightarrow{AM}=\left( x-3;-1;z-1 \right)$, $\overrightarrow{BM}=\left( x-3;2;z+2 \right)$.

Do $\left( MA,\left( Oxz \right) \right)=\left( MB,\left( Oxz \right) \right)$ nên $\frac{\left| \overrightarrow{MA}.\overrightarrow{j} \right|}{MA.\left| \overrightarrow{j} \right|}=\frac{\left| \overrightarrow{MB}.\overrightarrow{j} \right|}{MB.\left| \overrightarrow{j} \right|}$

$\Leftrightarrow \frac{\left| -1 \right|}{\sqrt{{{\left( x-3 \right)}^{2}}+1+{{\left( z-1 \right)}^{2}}}}=\frac{\left| 2 \right|}{\sqrt{{{\left( x-3 \right)}^{2}}+4+{{\left( z+2 \right)}^{2}}}}$ $\Leftrightarrow \sqrt{{{\left( x-3 \right)}^{2}}+4+{{\left( z+2 \right)}^{2}}}=2\sqrt{{{\left( x-3 \right)}^{2}}+1+{{\left( z-1 \right)}^{2}}}$

$\Leftrightarrow {{x}^{2}}-6x+9+4+{{z}^{2}}+4z+4=4\left( {{x}^{2}}-6x+9+1+{{z}^{2}}-2z+1 \right)$

$\Rightarrow 3{{x}^{2}}+3{{z}^{2}}-18x-12z+27=0$ $\Leftrightarrow {{x}^{2}}+{{z}^{2}}-6x-4z+9=0$.

Suy ra tập hợp điểm $M$ là đường tròn nằm trong mặt phẳng $\left( Oxz \right)$ có tâm $I\left( 3;0;2 \right)$ và bán kính $R=\sqrt{{{3}^{2}}+{{2}^{2}}-9}=2$.

Câu 14. Trong không gian với hệ tọa độ $Oxyz$, cho hai đường thẳng ${{d}_{1}}:\frac{x-3}{-1}=\frac{y-3}{-2}=\frac{z+2}{1}$; ${{d}_{2}}:\frac{x-5}{-3}=\frac{y+1}{2}=\frac{z-2}{1}$ và mặt phẳng $\left( P \right):x+2y+3z-5=0$. Đường thẳng $\left( \Delta  \right)$ vuông góc với $\left( P \right)$, cắt ${{d}_{1}}$ và ${{d}_{2}}$ lần lượt tại $M$ và $N$. Diện tích tam giác $OMN$ bằng

A. $\frac{\sqrt{28}}{2}$.       B. $\frac{2\sqrt{3}}{3}$.       C. $3\sqrt{3}$.       D. $\frac{3\sqrt{3}}{2}$.

Lời giải:

Vì $M\in {{d}_{1}}\Rightarrow M\left( 3-a;3-2a;-2+a \right)$

Vì $N\in {{d}_{1}}\Rightarrow N\left( 5-3b;-1+2b;2+b \right)$

Đường thẳng $\left( \Delta  \right)$ nhận $\overrightarrow{MN}\left( 2-3b+a;-4+2b+2a;4+b-a \right)$ làm vtcp

Mặt phẳng $\left( P \right)$ có vtpt $\overrightarrow{n}\left( 1;2;3 \right)$.

Vì $\left( \Delta  \right)\bot \left( P \right)\Rightarrow $$\overrightarrow{MN}$ cùng phương với $\overrightarrow{n}$ $\Rightarrow \frac{2-3b+a}{1}=\frac{-4+2b+2a}{2}=\frac{4+b-a}{3}$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}& 4-6b+2a=-4+2b+2a \\ & 6-9b+3a=4+b-a \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align} & 8b=8 \\ & 10b-4a=2 \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{ \begin{align}  & a=2 \\ & b=1 \\ \end{align} \right.$.

Vậy $M\left( 1;-1;0 \right);\,N\left( 2;1;3 \right)$.

Diện tích tam giác $OMN:$ ${{S}_{OMN}}=\frac{1}{2}\left| \left[ \overrightarrow{OM};\overrightarrow{ON} \right] \right|=\frac{3\sqrt{3}}{2}$.

Câu 15. Trong không gian $Oxyz$, cho mặt phẳng $\left( P \right):2x+2y+z+5=0$ và mặt cầu $(S)$ có tâm $I\left( 1;\,2;\,-2 \right)$. Biết $(P)$ cắt $(S)$ theo giao tuyến là đường tròn $(C)$ có chu vi $8\pi$. Mặt cầu $(T)$ chứa đường tròn $(C)$ và $(T)$ đi qua điểm $M\left( 1;\,1;\,1 \right)$ có bán kính là

A. $R=5$.       B. $R=\frac{\sqrt{265}}{4}$.       C. $R=\frac{5\sqrt{5}}{4}$.       D. $R=4$.

Lời giải:

+ Gọi $J,H$ lần lượt là tâm của mặt cầu $(T)$ và tâm đường tròn $(C)$. Khi đó $I,J,H$ cùng thuộc đường thẳng $\Delta $ vuông góc với $(P)\Rightarrow (\Delta )$ $\left\{ \begin{align}& x=1+2t \\ & y=2+2t \\ & z=-2+t \\ \end{align} \right.$ $\Rightarrow J(1+2t,2+2t,-2+t)\Rightarrow \overrightarrow{MJ}=(2t;2t+1;t-3)$

Suy ra $R_{T}^{2}=J{{M}^{2}}=9{{t}^{2}}-2t+10$; $d(J;(P))=\frac{\left| 9t+9 \right|}{\sqrt{4+4+1}}=\left| 3t+3 \right|$

+ $(P)$ cắt $(S)$ theo giao tuyến là đường tròn $(C)$ có chu vi $8\pi \Rightarrow 2\pi .r=8\pi \Rightarrow r=4$

+ Mặt cầu $(T)$ chứa đường tròn $(C)\Rightarrow R_{T}^{2}={{d}^{2}}(J;(P))+{{r}^{2}}\Leftrightarrow 9{{t}^{2}}-2t+10={{\left| 3t+3 \right|}^{2}}+16\Rightarrow t=\frac{-3}{4}$

+ Do đó $R_{T}^{2}=9.\frac{9}{16}+\frac{6}{4}+10=\frac{265}{16}\Rightarrow R{}_{T}=\frac{\sqrt{265}}{4}$.

Câu 16. Trong không gian với hệ tọa độ $Oxyz$, cho hai mặt phẳng $\left( P \right):x-y+z+3=0$, $\left( Q \right):x+2y-2z-5=0$ và mặt cầu $\left( S \right):\,{{x}^{2}}+{{y}^{2}}+{{z}^{2}}-2x+4y-6z-11=0$. Gọi $M$ là điểm di động trên mặt cầu $\left( S \right)$ và $N$ là điểm di động trên $\left( P \right)$ sao cho $MN$ luôn vuông góc với $\left( Q \right)$. Giá trị lớn nhất của độ dài đoạn thẳng $MN$ bằng

A. $3+5\sqrt{3}$.       B. 28.       C. $9+5\sqrt{3}$.       D. 14.

Lời giải:

Mặt cầu $\left( S \right)$ có tâm $I\left( 1;-2;3 \right)$, bán kính $R=5$; $d\left( I,\left( P \right) \right)=3\sqrt{3}>R$.

Vì $MN\bot \left( Q \right)$ nên đường thẳng $MN$ có vectơ chỉ phương là $\overrightarrow{u}=\left( 1;2;-2 \right)$, mặt phẳng $\left( P \right)$ có vectơ pháp tuyến là $\overrightarrow{n}=\left( 1;-1;1 \right)$.

Gọi $\alpha $ là góc giữa $MN$ và mặt phẳng $\left( P \right)$. Suy ra: $\sin \alpha =\frac{\left| \overrightarrow{u}.\overrightarrow{n} \right|}{\left| \overrightarrow{u} \right|.\left| \overrightarrow{n} \right|}=\frac{1}{\sqrt{3}}$.

Ta có: $MN=\frac{d\left( M,\left( P \right) \right)}{\sin \alpha }=\sqrt{3}.d\left( M,\left( P \right) \right)\le \sqrt{3}\left[ d\left( I,\left( P \right) \right)+R \right]=9+5\sqrt{3}$.

Vậy giá trị lớn nhất của độ dài đoạn thẳng $MN$ bằng $9+5\sqrt{3}$.

Câu 17. Trong không gian với hệ toạ độ $Oxyz$, cho hai đường thẳng ${{d}_{1}}:\frac{x+1}{1}=\frac{y+2}{2}=\frac{z}{1}$; ${{d}_{2}}:\frac{x-2}{2}=\frac{y-1}{1}=\frac{z-1}{1}$ và mặt phẳng $\left( P \right):x+y-2z+5=0$. Đường thẳng $d$ song song với mặt phẳng $\left( P \right)$ và cắt ${{d}_{1}},\,{{d}_{2}}$ lần lượt tại $A,\,B$ sao cho độ dài đoạn $AB$ đạt giá trị nhỏ nhất, có phương trình là

A. $\frac{x+1}{-1}=\frac{y-2}{1}=\frac{z-2}{-1}$.       B. $\frac{x-1}{1}=\frac{y-2}{1}=\frac{z-2}{1}$.       C. $\frac{x-1}{1}=\frac{y-2}{1}=\frac{z-2}{-1}$.       D. $\frac{x+1}{1}=\frac{y-2}{1}=\frac{z-2}{1}$.

Lời giải:

Gọi $A=d\cap {{d}_{1}}\Rightarrow A\left( -1+a;-2+2a;a \right)$; $B=d\cap {{d}_{2}}\Rightarrow B\left( 2+2b;1+b;1+b \right)$, $a,b\in \mathbb{R}$.

$\Rightarrow \overrightarrow{AB}=\left( 3+2b-a;3+b-2a;1+b-a \right)$ là một vectơ chỉ phương của đường thẳng $d$.

Mặt phẳng $\left( P \right):x+y-2z+5=0$ có một vectơ pháp tuyến là $\overrightarrow{n}=\left( 1;1;-2 \right)$.

Do $d\,//\,\left( P \right)$ $\Rightarrow \overrightarrow{AB}.\overrightarrow{n}=0$ $\Leftrightarrow 1.\left( 3+2b-a \right)+1.\left( 3+b-2a \right)-2\left( 1+b-a \right)=0$

$\Leftrightarrow -a+b+4=0$ $\Leftrightarrow a=b+4$.

$\Rightarrow \overrightarrow{AB}=\left( b-1;-b-5;-3 \right)$.

$\Rightarrow AB=\sqrt{{{\left( b-1 \right)}^{2}}+{{\left( -b-5 \right)}^{2}}+{{\left( -3 \right)}^{2}}}$ $=\sqrt{2{{b}^{2}}+8b+35}$ $=\sqrt{2{{\left( b+2 \right)}^{2}}+27}$ $\ge 3\sqrt{3}$.

Dấu “$=$” xảy ra $\Leftrightarrow $ $b=-2$ $\Rightarrow a=2$.

$\Rightarrow \overrightarrow{AB}=\left( -3;-3;-3 \right)=-3\left( 1;1;1 \right)$, $A\left( 1;2;2 \right)$.

Vậy đường thẳng $d$ nhận $\overrightarrow{u}\left( 1;1;1 \right)$ là một vectơ chỉ phương và đi qua $A$ nên $d$ có phương trình $d:\frac{x-1}{1}=\frac{y-2}{1}=\frac{z-2}{1}$.

Câu 18. Trong không gian $Oxyz$, cho hai điểm $M\left( -2;\,-2;\,1 \right),\,A\left( 1;\,2;\,-3 \right)$ và đường thẳng $d:\frac{x+1}{2}=\frac{y-5}{2}=\frac{z}{-1}$. Gọi $\overrightarrow{u}=\left( 1;\,a;\,b \right)$ là một vectơ chỉ phương của đường thẳng $\Delta $ đi qua $M$, $\Delta $ vuông góc với đường thẳng $d$ đồng thời cách điểm $A$ một khoảng nhỏ nhất. Giá trị $a+2b$ bằng

A. 1.       B. 2.       C. 3.       D. 4.

Lời giải:

Đường thẳng $d$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{{{u}_{d}}}=\left( 2;\,2;\,-1 \right)$; $\overrightarrow{u}=\left( 1;\,a;\,b \right)$ là một vectơ chỉ phương của đường thẳng $\Delta $.

Theo đề, $\Delta \bot d\Rightarrow 2+2a-b=0\Leftrightarrow b=2a+2$.

Mặt khác, $\overrightarrow{MA}=\left( 3;\,4;\,-4 \right)\Rightarrow \left[ \overrightarrow{MA},\overrightarrow{u} \right]=\left( 4a+4b;\,-4-3b;\,3a-4 \right)=\left( 12a+8;\,-6a-10;\,3a-4 \right)$.

Nên $d\left( A,\Delta  \right)=\frac{\left| \left[ \overrightarrow{MA},\overrightarrow{u} \right] \right|}{\left| \overrightarrow{u} \right|}=\frac{\sqrt{{{\left( 12a+8 \right)}^{2}}+{{\left( 6a+10 \right)}^{2}}+{{\left( 3a-4 \right)}^{2}}}}{\sqrt{1+{{a}^{2}}+{{b}^{2}}}}$$=\frac{\sqrt{189{{a}^{2}}+288a+180}}{\sqrt{5{{a}^{2}}+8a+5}}$.

Xét $f\left( a \right)=\frac{189{{a}^{2}}+288a+180}{5{{a}^{2}}+8a+5}\Rightarrow {f}'\left( a \right)=\frac{72{{a}^{2}}+90a}{{{\left( 5{{a}^{2}}+8a+5 \right)}^{2}}}$.

${f}'\left( a \right)=0\Rightarrow \frac{72{{a}^{2}}+90a}{{{\left( 5{{a}^{2}}+8a+5 \right)}^{2}}}=0\Leftrightarrow 72{{a}^{2}}+90a=0$ $\Leftrightarrow \left[ \begin{align} & a=0 \\ & a=-\frac{5}{4} \\ \end{align} \right.$

Lập bảng biến thiên, có khoảng cách từ $A$ đến $\Delta $ nhỏ nhất khi $a=0\Rightarrow b=2\Rightarrow a+2b=4$.

Câu 19. Trong không gian $Oxyz$, cho ba điểm $A\left( 1;\,1;\,1 \right),\,B\left( 1;\,2;\,2 \right),\,I\left( 0;\,0;\,4 \right)$. Mặt cầu $\left( S \right)$ đi qua hai điểm $A,\,B$ và tiếp xúc với mặt phẳng $\left( Oxy \right)$ tại điểm $C$. Giá trị lớn nhất của độ dài đoạn $IC$ bằng

A. $3\sqrt{2}.$       B. $2\sqrt{3}.$       C. 5.       D. 4.

Lời giải:

Đường thẳng $AB:\left\{ \begin{align}& qua\,A\left( 1;\,1;\,1 \right) \\ & VTCP\,\overrightarrow{AB}=\left( 0;\,1;\,1 \right) \\ \end{align} \right.$  có phương trình $\left\{ \begin{align} & x=1 \\  & y=1+t \\ & z=1+t \\ \end{align} \right.$

Gọi $M=AB\cap \left( Oxy \right)\Rightarrow M\left( 1;\,0;\,0 \right)$

Ta có: $IC=\sqrt{O{{I}^{2}}+O{{C}^{2}}}=\sqrt{16+O{{C}^{2}}}\Rightarrow I{{C}_{\max }}\Leftrightarrow O{{C}_{\max }}$

Ta lại có: $OM+MC\ge OC\Rightarrow O{{C}_{\max }}=OM+MC$ khi $O,\,M,\,C$ thẳng hàng.

$M{{C}^{2}}=MA.MB=\sqrt{2}.\sqrt{8}=4\Rightarrow MC=2$ và $OM=1$, $OM=4$$\Rightarrow O{{C}_{\max }}=OM+MC=3$.

Vậỵ $I{{C}_{\max }}=\sqrt{16+O{{C}^{2}}_{\max }}=5.$

Câu 20. Trong không gian với hệ toạ độ $Oxyz,$ cho hai điểm $A\left( 1;\,2;\,-3\, \right),\,B\left( \,-2;\,-2;\,1 \right)\,$ và mặt phẳng $\left( P \right):2x+2y-z+9=0.$ Gọi $M$ là điểm thay đổi trên $\left( P \right)$ sao cho $\widehat{AMB}=90{}^\circ .$ Khi khoảng cách $MB$ lớn nhất, phương trình đường thẳng $MB$ là

A. $\left\{ \begin{align} & x=-2+t \\ & y=-2 \\ & z=1+2t \\ \end{align} \right.$.       B. $\left\{\begin{align}& x=-2-t \\ & y=-2+2t \\ & z=1+2t \\ \end{align} \right.$.       C. $\left\{\begin{align} & x=-2+2t \\ & y=-2-t \\ & z=1+2t \\ \end{align} \right.$.       D. $\left\{ \begin{align} & x=-2+t \\ & y=-2-t \\ & z=1 \\ \end{align} \right.$.

Lời giải:

Ta có: $2.\left( -2 \right)+2.\left( -2 \right)-1+9=0$$\Rightarrow B\in \left( P \right)$.

Gọi $H$ là hình chiếu của $A$ trên $\left( P \right)$ thì $\left\{ \begin{align}& MB\bot AH \\ & MB\bot AM \\ \end{align} \right.$ $\Rightarrow MB\bot \left( AHM \right)$ $\Rightarrow MB\bot MH$

$\Rightarrow MB\le BH$. Dấu bằng xảy ra khi $M\equiv H$, lúc đó $M$ là hình chiếu của $A$ trên $\left( P \right)$.

Đường thẳng $MA$ qua $A\left( 1;\,2;\,-3 \right)\,$và nhận VTPT của mp$\left( P \right)$: $\overrightarrow{{{n}_{P}}}=\left( 2;2;-1 \right)$làm VTCP có phương trình tham số: $\left\{ \begin{align}& x=1+2t \\ & y=2+2t \\ & z=-3-t \\ \end{align} \right.$.

Vì $M\in MA\Rightarrow M\left( 1+2t;\,2+2t;\,-3-t \right)$.

Vì $M\in \left( P \right)\Rightarrow 2\left( 1+2t \right)+2\left( 2+2t \right)+3+t+9=0\Leftrightarrow t=-2$

$\Rightarrow M\left( -3;-2;-1 \right)$$\Rightarrow \overrightarrow{MB}=\left( 1;0;2 \right)$.

Phương trình tham số của $MB$ là $\left\{ \begin{align} & x=-2+t \\ & y=-2 \\ & z=1+2t \\ \end{align} \right.$.

Câu 21. Trong không gian với hệ trục tọa độ $Oxyz$ cho điểm $I\left( 1;0;0 \right)$, điểm $M\left( \frac{7}{9};\frac{4}{9};\frac{4}{9} \right)$ và đường thẳng $d:\left\{ \begin{align}& x=2 \\ & y=t \\ & z=1+t \\ \end{align} \right.$. $N\left( a,b,c \right)$ là điểm thuộc đường thẳng $d$ sao cho diện tích tam giác $IMN$ nhỏ nhất. Khi đó $a+b+c$ có giá trị bằng:

A. 2.       B. $-2$.       C. $\frac{5}{2}$.       D. $\frac{-5}{2}$.

Lời giải:

Ta có $IM=\frac{2}{3}$.

Gọi $H$ là hình chiếu của $N$ trên đường thẳng $d'$ đi qua $I,M$, ta có: ${{S}_{\Delta IMN}}=\frac{1}{2}IM.NH=\frac{1}{3}NH$

Diện tích tam giác $IMN$ nhỏ nhất khi và chỉ khi độ dài $NH$ nhỏ nhất.

$N\in d\Rightarrow N\left( 2;n;1+n \right)$ $\Rightarrow \overrightarrow{IN}=\left( 1;n;1+n \right)$.

Đường thẳng $d'$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u'}=\left( 1;-2;-2 \right)$. $\left[ \overrightarrow{IN},\overrightarrow{u'} \right]=\left( 2;n+3;-n-2 \right)$.

$NH=d\left( N;d' \right)=\frac{\left| \left[ \overrightarrow{IN},\overrightarrow{u'} \right] \right|}{\left| \overrightarrow{u'} \right|}=\frac{\sqrt{{{2}^{2}}+{{\left( n+3 \right)}^{2}}+{{\left( -n-2 \right)}^{2}}}}{3}=\frac{\sqrt{2{{\left( n+\frac{5}{2} \right)}^{2}}+\frac{9}{4}}}{3}\ge \frac{1}{2}$.

Dấu $”=”$ xảy ra khi $n=-\frac{5}{2}$, suy ra: $N\left( 2;-\frac{5}{2};-\frac{3}{2} \right)$. Vậy $a+b+c=-2$.

Câu 22. Trong không gian $Oxyz$, cho đường thẳng $d:\,\,\frac{x-1}{1}=\frac{y+1}{-1}=\frac{z-5}{2}$ và mặt phẳng $\left( P \right):\,\,2x+y+z-3=0$. Đường thẳng $\Delta $ đi qua điểm $A\left( 2;-1;3 \right)$, cắt đường thẳng $d$ và tạo với mặt phẳng $\left( P \right)$ góc ${{30}^{0}}$ có phương trình:

A. $\frac{x+2}{22}=\frac{y-1}{-13}=\frac{z+3}{8}$.       B. $\frac{x-2}{1}=\frac{y+1}{-1}=\frac{z-3}{2}$.       C. $\frac{x-2}{2}=\frac{y+1}{1}=\frac{z-3}{1}$.       D. $\frac{x-2}{-11}=\frac{y+1}{5}=\frac{z-3}{2}$.

Lời giải:

Mặt phẳng $\left( P \right):\,\,2x+y+z-3=0$ có vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}\left( 2;1;1 \right)$.

Gọi $B=d\cap \Delta $ thì $B\left( 1+t;-1-t;5+2t \right)$ và $\overrightarrow{AB}=\left( -1+t;\,-t;\,2+2t \right)$ là vectơ chỉ phương của đường thẳng $\Delta $.

Ta có: $\sin {{30}^{0}}=\,\sin \left( \Delta ,\left( P \right) \right)=\,\left| cos\left( \overrightarrow{AB},\overrightarrow{n} \right) \right|$  $\Leftrightarrow \frac{1}{2}=\frac{\left| \overrightarrow{AB}.\overrightarrow{n} \right|}{\left| \overrightarrow{AB} \right|.\left| \overrightarrow{n} \right|}$  $\Leftrightarrow \frac{1}{2}=\frac{\left| -2+2t-t+2+2t \right|}{\sqrt{{{\left( -1+t \right)}^{2}}+{{\left( -t \right)}^{2}}+{{\left( 2+2t \right)}^{2}}}.\sqrt{6}}$  $\Leftrightarrow 6\left( 6{{t}^{2}}+6t+5 \right)=36{{t}^{2}}\Leftrightarrow t=\frac{-5}{6}$

Suy ra $\overrightarrow{AB}=\frac{1}{6}\left( -11\,;\,5\,;\,2 \right)$

Phương trình đường thẳng $\Delta $: $\frac{x-2}{-11}=\frac{y+1}{5}=\frac{z-3}{2}$.

Câu 23. Trong không gian với hệ trục toạ độ $Oxyz$, cho hai điểm $A\left( 2;1;1 \right)$; $B\left( -1;2;3 \right)$ và mặt phẳng $\left( P \right):x-2y+2z-5=0$. Gọi $d$ là đường thẳng đi qua điểm $A$ và song song với mặt phẳng $\left( P \right)$ sao cho khoảng cách từ $B$ đến $d$ nhỏ nhất, khi đó đường thẳng $d$ có phương trình là

A. $\left( d \right):\left\{ \begin{align}& x=2-2t \\ & y=1-t \\ & z=1+4t \\ \end{align} \right.$.       B. $\left\{ \begin{align}& x=2+2t \\ & y=1-t \\  & z=1-4t \\ \end{align} \right.$.       C. $\left\{\begin{align}& x=2+2t \\ & y=1+t \\  & z=1+4t \\ \end{align} \right.$.       D. $\left\{\begin{align}& x=2-2t \\  & y=1+t \\ & z=1+4t \\ \end{align} \right.$.

Lời giải:

Mặt phẳng $\left( Q \right)$ đi qua $A\left( 2;1;1 \right)$và song song với mặt phẳng $\left( P \right)$.

Phương trình mặt phẳng $\left( Q \right)$: $x-2y+2z-2=0$.

Gọi $H$ là hình chiếu vuông góc của $B$ lên mặt phẳng $\left( Q \right)$. Khi đó đường thẳng $BH$ đi qua $B$ và nhận ${{\overrightarrow{n}}_{\left( Q \right)}}=(1;-2;2)$ làm VTCP

Phương trình tham số của $BH:\left\{ \begin{align}& x=-1+t \\ & y=2-2t \\  & z=3+2t \\ \end{align} \right.$

Do $H=BH\cap \left( Q \right)$;$H\in BH$ nên $H\left( -1+t;2-2t;3+2t \right)$ và $H\in \left( Q \right)$.

Ta có $-1+t-2\left( 2-2t \right)+2\left( 3+2t \right)-2=0$ $\Rightarrow t=1$ $\Rightarrow H=\left( 0;0;5 \right)$.

Gọi $K$ là hình chiếu vuông góc của $B$ lên đường thẳng $d$ khi đó $d(B;d)=BK\ge BH$.

Khoảng cách từ $B$ đến $d$ nhỏ nhất khi $BK=BH$ hay $K\equiv H$.

Có $\overrightarrow{AH}=\left( -2;-1;4 \right)$.

VTCP của đường thẳng $\left( d \right):{{\overrightarrow{u}}_{d}}=\overrightarrow{AH}\Rightarrow {{\overrightarrow{u}}_{d}}=(-2;-1;4)$.

Vậy phương trình tham số của đường thẳng $\left( d \right):\left\{ \begin{align}& x=2-2t \\ & y=1-t \\ & z=1+4t \\ \end{align} \right.$.

Câu 24. Trong không gian với hệ tọa độ $Oxyz$, cho đường thẳng $\Delta :\frac{x-2}{-1}=y-3=\frac{z-1}{2}$ và điểm $A\left( 2;-1;1 \right)$. Đường thẳng $d$ đi qua $A$, cắt $\Delta $ tại điểm có tọa độ nguyên, tạo với $\Delta $ một góc $\alpha $ thỏa $\cos \alpha =\frac{\sqrt{5}}{3}$. Phương trình của đường thẳng $d$ là

A. $\frac{x-2}{-1}=\frac{y+1}{5}=\frac{z-1}{2}$.       B. $\frac{x+2}{-1}=\frac{y-1}{5}=\frac{z+1}{2}$.       C. $\frac{x-2}{-1}=\frac{y+1}{3}=\frac{z-1}{1}$.       D. $\frac{x+2}{-1}=\frac{y-1}{3}=\frac{z+1}{1}$.

Lời giải:

$\Delta $ có vectơ chỉ phương là: $\overrightarrow{u}=\left( -1;1;2 \right)$ và có phương trình tham số là: $\left\{ \begin{align} & x=2-t \\ & y=3+t \\  & z=1+2t \\ \end{align} \right.$.

Gọi $M=\Delta \cap d$. Do $M\in \Delta $ nên $M\left( 2-t;3+t;1+2t \right)$.

Khi đó : $\overrightarrow{AM}=\left( -t;4+t;2t \right)$

Dễ thấy $\overrightarrow{AM}\ne \overrightarrow{0}$. Suy ra $\overrightarrow{AM}$ là vectơ chỉ phương của $d$.

Gọi $\alpha $ là góc giữa của $\Delta $ và $d$.

Ta có: $\cos \alpha =\frac{\left| \overrightarrow{AM}.\overrightarrow{u} \right|}{\left| \overrightarrow{AM} \right|.\left| \overrightarrow{u} \right|}$$\Leftrightarrow \frac{\sqrt{5}}{3}=\frac{\left| 6t+4 \right|}{\sqrt{6{{t}^{2}}+8t+16}.\sqrt{6}}$$\Leftrightarrow \left[ \begin{align} & t=-\frac{7}{3} \\ & t=1 \\ \end{align} \right.$.

Với $t=-\frac{7}{3}$ suy ra: $M\left( \frac{13}{3};\frac{2}{3};-\frac{11}{3} \right)$

Với $t=1$ suy ra: $M\left( 1;4;3 \right)$.

Khi đó $d$ đi qua $A\left( 2;-1;1 \right)$ và có vectơ chỉ phương là $\overrightarrow{AM}=\left( -1;5;2 \right)$ nên có phương trình là: $\frac{x-2}{-1}=\frac{y+1}{5}=\frac{z-1}{2}$.

Câu 25. Trong không gian tọa độ $Oxyz$, cho đường thẳng $d:\frac{x}{2}=-y-1=-z$ và điểm $M\left( 1\,;\,-1\,;\,-1 \right)$. Gọi $\Delta$ là đường thẳng đi qua $M$, cắt $d$ và tạo với mặt phẳng $\left( Oxy \right)$ một góc lớn nhất. Giả sử $\overrightarrow{u}=\left( 1;a{ };b \right)$ là một vectơ chỉ phương của $\Delta$. Tổng $a+b$ bằng

A. 2.       B. $-1$.       C. 1.       D. 0.

Lời giải:

Gọi $N=d\cap \Delta $ $\Rightarrow N\left( 2t\,;\,-1-t\,;\,-t \right)$ $\Rightarrow \overrightarrow{NM}=\left( 1-2t\,;\,t\,;\,t-1 \right)$

Gọi $\left( \widehat{\Delta ,\left( Oxy \right)} \right)=\varphi $ $\Rightarrow \sin \varphi =\frac{\left| \overrightarrow{NM}.\overrightarrow{k\,} \right|}{\left| \overrightarrow{NM} \right|.\left| \overrightarrow{k\,} \right|}=\frac{\left| t-1 \right|}{\sqrt{{{\left( 1-2t \right)}^{2}}+{{t}^{2}}+{{\left( t-1 \right)}^{2}}}}=\frac{\left| t-1 \right|}{\sqrt{6{{t}^{2}}-6t+2}}$

Ta có: $\frac{\left| t-1 \right|}{\sqrt{6{{t}^{2}}-6t+2}}=\frac{\left| \left( t-\frac{1}{2} \right)+\left( -\sqrt{3} \right)\frac{1}{2\sqrt{3}} \right|}{\sqrt{6{{t}^{2}}-6t+2}}\le \frac{\sqrt{4\left( {{\left( t-\frac{1}{2} \right)}^{2}}+{{\left( \frac{1}{2\sqrt{3}} \right)}^{2}} \right)}}{\sqrt{6{{t}^{2}}-6t+2}}=\frac{2}{\sqrt{6}}$

Dấu “=” xảy ra khi $t-\frac{1}{2}=\frac{\frac{1}{2\sqrt{3}}}{-\sqrt{3}}\Leftrightarrow t=\frac{1}{3}$

Khi đó $\overrightarrow{NM}=\left( \frac{1}{3}\,;\,\frac{1}{3}\,;\,-\frac{2}{3} \right)=\frac{1}{3}\left( 1\,;\,1\,;\,-2 \right)$

Vậy $a+b=-1$.

Câu 26. Trong mặt phẳng $Oxyz$, cho hình chóp tam giác đều $S.ABC$ có toạ độ đỉnh $S(6;-2;3)$, thể tích $V=18$ và $AB=a\,\,\left( a<7 \right)$. Đường thẳng $BC$ có phương trình $\frac{x-1}{1}=\frac{y+1}{2}=\frac{z}{1}$. Gọi $(S)$ là mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng $(ABC)$ tại $A$ và tiếp xúc cạnh $SB$. Khi đó bán kính của mặt cầu $(S)$ thuộc khoảng nào sau đây?

A. $(3;4)$.       B. $(5;6)$.       C. $(2;3)$.       D. $(3;4)$.

Lời giải:

Gọi $M$ là trung điểm của $BC$ thì $SM=d\left( S,BC \right)=\sqrt{29}$.

Gọi $H$ là tâm của $\Delta ABC$ đều có cạnh bằng $a$ thì $HM=\frac{1}{3}.AM=\frac{1}{3}.\frac{a\sqrt{3}}{2}=\frac{a\sqrt{3}}{6}$.

Áp dụng định lí Pytago cho $\Delta AHM$ vuông tại $H$:

$SH=\sqrt{S{{M}^{2}}-H{{M}^{2}}}=\sqrt{29-{{\left( \frac{a\sqrt{3}}{6} \right)}^{2}}}=\sqrt{29-\frac{{{a}^{2}}}{12}}$

Thể tích của khối chóp $S.ABC$ là 18 nên ta có:

$\frac{1}{3}.SH.{{S}_{ABC}}=18\Leftrightarrow \frac{1}{3}.\sqrt{29-\frac{{{a}^{2}}}{12}}.\frac{{{a}^{2}}\sqrt{3}}{4}=18\Rightarrow {{a}^{2}}=24\Rightarrow a=2\sqrt{6}$.

Cách 1:

Gọi $P$ là tâm của $\left( S \right)$, $Q$ là hình chiếu của $P$ lên mặt phẳng $\left( SAB \right)$ và $E$ là hình chiếu của $P$ lên đường thẳng $SB$.

Do $(S)$ tiếp xúc với mặt phẳng $(ABC)$ tại $A$ và tiếp xúc cạnh $SB$ nên $BA$, $BS$ là hai tiếp tuyến của $\left( S \right)$, suy ra $\widehat{QAB}=\widehat{QEB}=90{}^\circ$.

Gọi $R$ là bán kính của $\left( S \right)$.

Xét tam giác $APQ$ vuông tại $Q$: $PA=\frac{QA}{\sin \widehat{APQ}}\Rightarrow R=\frac{QA}{\sin \left( \left( ABC \right),\left( SAB \right) \right)}$.

Do $S.ABC$ là hình chóp tam giác đều nên ta có: $\left( \left( ABC \right),\left( SAB \right) \right)=\left( \left( ABC \right),\left( SBC \right) \right)=\widehat{SMH}$.

Xét tam giác $SHM$ vuông tại $H$: $\sin \widehat{SMH}=\frac{SH}{SM}=\frac{\sqrt{29-\frac{{{\left( 2\sqrt{6} \right)}^{2}}}{12}}}{\sqrt{29}}=\frac{\sqrt{27}}{\sqrt{29}}$.

Ta có $\Delta SAB=\Delta SBC$ nên $\cos \widehat{ABS}=\cos \widehat{CBS}=\cos \widehat{MBS}=\frac{MB}{SB}=\frac{MB}{\sqrt{S{{M}^{2}}+M{{B}^{2}}}}=\frac{\frac{2\sqrt{6}}{2}}{\sqrt{29+{{\left( \frac{2\sqrt{6}}{2} \right)}^{2}}}}=\frac{\sqrt{6}}{\sqrt{35}}$.

Xét tam giác $QAB$ vuông tại $A$: $QA=AB.\tan \widehat{ABQ}=AB.\tan \frac{\widehat{ABS}}{2}=AB.\sqrt{\frac{1-\cos \widehat{ABS}}{1+\cos \widehat{ABS}}}=2\sqrt{6}.\sqrt{\frac{1-\frac{\sqrt{6}}{\sqrt{35}}}{1+\frac{\sqrt{6}}{\sqrt{35}}}}=2\sqrt{6}.\sqrt{\frac{\sqrt{35}-\sqrt{6}}{\sqrt{35}+\sqrt{6}}}$.

Từ, và suy ra $R=\frac{2\sqrt{6}.\sqrt{\frac{\sqrt{35}-\sqrt{6}}{\sqrt{35}+\sqrt{6}}}}{\frac{\sqrt{27}}{\sqrt{29}}}=\frac{2\sqrt{70}-4\sqrt{3}}{3}\approx 3,27\in \left( 3;4 \right)$.

Cách 2:

Tọa độ $M$ thỏa hệ $\left\{ \begin{align}& \frac{x-1}{1}=\frac{y+1}{2}=\frac{z}{1} \\ & 1\left( x-6 \right)+2\left( y+2 \right)+1\left( z-3 \right)=0 \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left\{\begin{align}& x=2 \\  & y=1 \\ & z=1 \\ \end{align} \right.\Rightarrow M\left( 2;1;1 \right)$.

Tọa độ $B$, $C$ thỏa hệ $\left\{ \begin{align} & \frac{x-1}{1}=\frac{y+1}{2}=\frac{z}{1} \\ & {{\left( x-2 \right)}^{2}}+{{\left( y-1 \right)}^{2}}+{{\left( z-1 \right)}^{2}}=6 \\ \end{align} \right.$ $\Leftrightarrow \left( x;y;z \right)\in \left\{ \left( 1;-1;0 \right),\left( 3;3;2 \right) \right\}$.

Vì $S.ABC$ là hình chóp tam giác đều và mặt cầu $(S)$ tiếp xúc với mặt phẳng $(ABC)$ tại $A$ nên không mất tính tổng quát ta chọn $B\left( 1;-1;0 \right),{ }C\left( 3;3;2 \right)$.

Có 2 mặt phẳng $\left( \alpha  \right)$ chứa đường thẳng $BC$ và thỏa $d\left( S,\left( \alpha  \right) \right)=SH=3\sqrt{3}$, ta chọn 1 mặt phẳng có phương trình $\left( \alpha  \right):{ }x-y+z-2=0$suy ra $H\left( 3;1;0 \right)$. Vì $H$ là trọng tâm tam giác $ABC$ nên suy ra $A\left( 5;1;-2 \right)$.

Gọi $P$ là tâm của $\left( S \right)$ suy ra $P=\left( 5+t;1-t;-2+t \right)$.

Ta có $\overrightarrow{BP}=\left( 4+t;2-t;t-2 \right),{ }\overrightarrow{BS}=\left( 5;-1;3 \right),{ }\left[ \overrightarrow{BP},\overrightarrow{BS} \right]=\left( 4-2t;2t-22;4t-14 \right)$.

Gọi $R$ là bán kính của $\left( S \right)$, ta có $R=PA=d\left( P,SB \right)=\frac{\left| \left[ \overrightarrow{BP},\overrightarrow{BS} \right] \right|}{SB}$ $\Leftrightarrow \left[ \begin{align}& t=-\frac{4}{3}+\frac{2\sqrt{70}}{3\sqrt{3}} \\ & t=-\frac{4}{3}-\frac{2\sqrt{70}}{3\sqrt{3}} \\ \end{align} \right.$.

Vậy có 2 mặt cầu cần tìm thỏa yêu cầu bài toán, chúng có bán kính lần lượt là

$R=\sqrt{3}\left| t \right|=\frac{2\sqrt{70}-4\sqrt{3}}{3}\approx 3,27\in \left( 3;4 \right)$ hay $R=\sqrt{3}\left| t \right|=\frac{2\sqrt{70}+4\sqrt{3}}{3}\approx 7,88$.

Nguyễn Quốc Hoàn ,  02/3/2023

Các chuyên đề về phương pháp tọa độ trong không gian ôn thi TN THPT QG năm 2023

Phương pháp tọa độ trong không gian năm 2023 phần 1  Ấn đây vào bài này

Phương pháp không gian tọa độ Oxyz phần 2    Ấn đây vào bài này

Phương trình mặt phẳng mặt cầu trong không gian mức khó VD và VDC    Ấn đây vào bài này

Phương trình mặt cầu trong không gian tọa độ Oxyz    Ấn đây vào bài này

Phương pháp tọa độ trong không gian ôn thi TN THPT 2023 VD VDC    Ấn đây vào bài này

Chuyên đề phương pháp tọa độ trong không gian phát triển câu VD VDC năm 2023    Ấn đây vào bài này

Phương trình đường thẳng trong không gian tọa độ Oxyz VD VDC phần 1    Ấn đây vào bài này

Hình học không gian tọa độ Oxyz phần 2 Ôn thi TNTHPT 2023    Ấn đây vào bài này

Đánh giá và nhận xét

Đánh giá trung bình

(1 đánh giá)

5

  • 5
    1 đánh giá
  • 4
    0 đánh giá
  • 3
    0 đánh giá
  • 2
    0 đánh giá
  • 1
    0 đánh giá

Đánh giá*

Bạn cảm thấy thế nào về bài viết này

Nguyễn Quốc Hoàn
Tuyệt vời
x
Nguyễn Quốc Hoàn Đã trả lời 15:46 04/04/2023
cảm ơn thầy
Bài viết liên quan

Phương trình mặt phẳng mặt cầu trong không gian m (...)

  • Ngày đăng 20/03/2023
  • Lượt xem 3899 lượt xem
Ôn thi TN THPT môn toán năm 2023

Đề và đáp án thi thử toán 12 Sở Hà Nội 3 2023

  • Ngày đăng 07/04/2023
  • Lượt xem 6964 lượt xem
Môn toán 12 ôn thi tốt nghiệp THPT năm 2023

Bài toán số phức phát triển đề tham khảo môn toán (...)

  • Ngày đăng 04/04/2023
  • Lượt xem 4224 lượt xem
Bài toán số phức phát triển đề tham khảo toán 2023 câu 35 42 (...)

Bộ đề thi thử đáp án môn Toán ôn thi TN THPT 2023

  • Ngày đăng 04/04/2023
  • Lượt xem 15722 lượt xem
File Word tặng free cho Giáo viên và Học sinh
Nhập địa chỉ e-mail để nhận tin từ hs.edu.vn nhé !