Các dạng bài tập toán phương trình mặt cầu trong không gian Oxyz

Vì vậy mà trong bài viết này chúng ta cùng hệ thống lại một số dạng bài tập về phương trình mặt cầu, giải các dạng toán về phương trình mặt cầu để thấy sự liên quan mật thiết giữa đường thẳng, mặt phẳng và mặt cầu.

I. Lý thuyết về mặt cầu, phương trình mặt cầu

1. Mặt cầu là gì?

– Định nghĩa: Cho điểm O cố định và một số thực dương R. Tập hợp tất cả những điểm M trong không gian cách O một khoảng R được gọi là mặt cầu tâm O, bán kính R.

mặt cầu tâm O bán kính R

– Ký hiệu: S(O;R) ⇒ S(O;R) = {M/OM = R}

2. Các dạng phương trình mặt cầu

• Phương trình chính tắc của mặt cầu:

 – Mặt cầu (S) có tâm O(a; b; c), bán kính R > 0 có pt là:

 (S): (x – a)2 + (y – b)2 + (z – c)2 = R2

• Phương trình tổng quát của mặt cầu:

 (S): x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0  (*)

 ◊ Điều kiện để phương trình (*) là phương trình mặt cầu: a2 + b2 + c2 – d > 0.

 ◊ S có tâm O(a; b; c) và bán kính  

3. Vị trí tương đối giữa mặt cầu và mặt phẳng

• Cho mặt cầu S(O;R) và mặt phẳng (P). Gọi H là hình chiếu vuông góc của O lên (P) ⇒ d = OH là khoảng cách từ O đến mặt phẳng (P). Khi đó:

  ◊ Nếu d > R: Mặt cầu và mặt phẳng không có điểm chung

  ◊ Nếu d = R: Mặt phẳng tiếp xúc mặt cầu. Khi đó (P) là mặt phẳng tiếp diện của mặt cầu và H là tiếp điểm

  ◊ Nếu d < R: Mặt phẳng (P) cắt mặt cầu theo thiết diện là đường tròn có tâm O’ và bán 

vị trí tương đối giữa mặt cầu và mặt phẳngvị trí tương đối giữa mặt phẳng và mặt cầu

* Lưu ý: Khi mặt phẳng (P) đi qua tâm O thì mặt phẳng (P) được gọi là mặt phẳng kính và thiết diện lúc đó được gọi là đường tròn lớn có diện tích lớn nhất.

4. Vị trí tương đối giữa mặt cầu và đường thẳng

• Cho mặt cầu S(O;R) và đường thẳng Δ. Gọi H là hình chiếu của O lên Δ, khi đó :

 ◊ Nếu OH > R: Δ không cắt mặt cầu.

 ◊ Nếu OH = R: Δ tiếp xúc với mặt cầu. Khi đó Δ là tiếp tuyến của (S) và H là tiếp điểm.

 ◊ Nếu OH < R: Δ cắt mặt cầu tại hai điểm phân biệt.

vị trí tương đối giữa đường thẳng và mặt cầuvị trí tương đối giữa đường thẳng và mặt cầu

* Lưu ý: Trong trường hợp Δ cắt (S) tại 2 điểm A, B thì bán kính R của (S) được tính như sau:

  d[O,Δ] = OH, lúc đó:

5. Đường tròn trong không gian Oxyz

– Đường tròn (C) trong không gian Oxyz, được xem là giao tuyến của (S) và mặt phẳng (P).

 (S):  x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 

 (P): Ax + By + Cz + D = 0

– Xác định tâm O’ và bán kính r của (C).

° Tâm O’ = d ∩ (P).

 – Trong đó d là đường thẳng đi qua O và vuông góc với mp (P).

° Bán kính: 

6. Điều kiện tiếp xúc giữa đường thẳng với mặt cầu, mặt phẳng với mặt cầu

+ Đường thẳng Δ là tiếp tuyến của mặt cầu (S)⇔ d[O;Δ] = R

+ Mặt phẳng (P) là tiếp diện của mặt cầu (S)⇔ d[O;(P)] = R

* Lưu ý: Tìm tiếp điểm Mo(xo; yo; zo). sử dụng tính chất: 

hayhochoi dn11

II. Các dạng bài tập toán về phương trình mặt cầu

Dạng 1: Viết phương trình mặt cầu biết tâm và bán kính

* Phương pháp:

+) Cách 1: Viết PT mặt cầu dạng chính tắc

 Bước 1: Xác định tâm O(a; b; c).

 Bước 2: Xác định bán kính R của (S).

 Bước 3: Mặt cầu (S) có tâm O(a; b; c) và bán kính R là:

 (S): (x – a)2 + (y – b)2 + (z – c)2 = R2

+) Cách 2: Viết phương trình mặt cầu dạng tổng quát

 – Gọi phương trình (S) : x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 

 – Phương trình (S) hoàn toàn xác định nếu biết được a,b,c,d với  a2 + b2 + c2 – d > 0.

* Ví dụ 1: Viết phương trình mặt cầu (S), trong các trường hợp sau:

1. (S) có tâm O(2; 2; -3) và bán kính R = 3.

2. (S) có tâm O(1; 2; 0) và (S) qua P(2; -2; 1)

3. (S) có đường kính AB với A(1; 3; 1) và B(-2; 0; 1)

* Lời giải:

1. (S) có tâm O(2; 2; -3) và bán kính R = 3. có phương trình là:

  (x – 2)2 + (y – 2)2 + (z + 3)2 = 9

2. (S) có tâm O(1; 2; 0) và (S) qua P(2; -2; 1)

– Ta có:

– Mặt cầu tâm O(1; 2; 0) bán kính R = OP = 3√2 có phương trình:

  (x – 1)2 + (y – 2)2 + z2 = 18

3. (S) có đường kính AB với A(1; 3; 1) và B(-2; 0; 1)

– Ta có: 

– Gọi O là trung điểm của AB ⇒ 

– Mặt cầu tâm  và bán kính  có phương trình:

 

 * Ví dụ 2: Viết phương trình mặt cầu (S) , trong các trường hợp sau:

1. (S) qua A(3; 1; 0) , B(5; 5; 0) và tâm I thuộc trục Ox.

2. (S) có tâm O và tiếp xúc mặt phẳng (P): 16x – 15y – 12z + 75 = 0

3. (S) có tâm I(-1; 2; 0) và có một tiếp tuyến là đường thẳng Δ: 

* Lời giải:

a) Gọi I(a; 0 ; 0) ∈ Ox, ta có: 

– Vì (S) đi qua A, B nên ⇒ IA = IB 

⇒ I(10; 0; 0) và

– Mặt cầu tâm I(10; 0; 0) và bán kính  có phương trình là:

 (x – 10)2 + y2 + z2 = 50

b) Do mặt cầu (S) tiếp xúc với mặt phẳng (P) nên ta có:

 

– Mặt cầu tâm O(0; 0; 0) và bán kính R = 3 có phương trình là:

 x2 + y2 + z2 = 9

c) Chọn A(-1; 1; 0) ∈ Δ ⇒  

– Đường thẳng Δ có VTCP  nên ta có:

 

– Do mặt cầu (S) tiếp xúc với Δ nên d[I,Δ] = R 

⇒ Vậy mặt cầu tâm I(-1; 2; 0) và bán kính   có phương trình là:

 

* Ví dụ 3: Viết phương trình mặt cầu (S) biết :

1. (S) qua bốn điểm A(1; 2; -4), B(1; -3; 1) , C(2; 2; 3) và D(1; 0 ; 4)

2. (S) qua A(0; 8; 0), B(4; 6; 2) , C(0; 12; 4) và có tâm I thuộc mp (Oyz)

* Lời giải:

a) Có thể giải theo 2 cách:

* Cách 1: Viết pt mặt cầu dạng chính tắc

– Gọi I(a;b;c) là tâm mặt cầu cần tìm, theo giả thiết ta có:

 

⇒ Mặt cầu (S) có tâm I(-2;1;0) và bán kính  có phương trình là:

 (x+2)2 + (y – 1)2 + z2 = 26

* Cách 2: Viết pt mặt cầu dạng tổng quát

– Gọi phương trình mặt cầu có dạng:  x2 + y2 + z2 – 2ax – 2by – 2cz + d = 0 , (a2 + b2 + c2 – d > 0).

– Các điểm A, B, C, D đều thuộc mặt cầu (S) nên thay lần lượt vào pt mặt cầu trên ta có hệ:

 

– Giải hệ pt trên được nghiệm và thay vào pt mặt cầu ta được:

 (x+2)2 + (y – 1)2 + z2 = 26

2. Do tâm I của mặt cầu nằm trên mặt phẳng (Oyz) nên ta có I(0;b;c)

– Ta lại có: IA = IB = IC 

⇒ Mặt cầu có tâm I(0;7;5) và bán kính   có pt là:

 x2 + (y – 7)2 + (z – 5)2 = 26.

• Dạng 2: Vị trí tương đối giữa mặt cầu với mặt phẳng và đường thẳng

* Phương pháp:

– Sử dụng các công thức liên quan về vị trí tương đối giữa đường thẳng, mặt phẳng mặt cầu:

+ Đường thẳng Δ là tiếp tuyến của mặt cầu (S)⇔ d[O;Δ] = R

+ Mặt phẳng (P) là tiếp diện của mặt cầu (S)⇔ d[O;(P)] = R

 Ví dụ 1: Cho đường thẳng Δ:  và mặt cầu (S): , tìm số giao điểm của Δ và (S).

* Lời giải:

– Đường thẳng Δ đi qua điểm M(0;1;2) và có VTCP là 

– Mặt cầu (S) được viết lại:

 (x2 – 2x + 1) + y2 + (z2 + 4z + 4) – 4 = 0

 ⇔ (x – 1)2 + y2 + (z+2)2 = 4

⇒ Mặt cầu có tâm I(1;0;-2) và bán kính R = 2.

– Ta có  và 

 

– Ta thấy: d(I, Δ) > R nên đường thẳng không cắt mặt cầu.

 Ví dụ 2: Cho điểm I(1;-2;3).

a) Hãy viết phương trình mặt cầu tâm I và tiếp xúc với trục Oy.

b) Hãy viết phương trình mặt cầu tâm I tiếp xúc với đường thẳng (Δ):

* Lời giải:

a) Viết phương trình mặt cầu tâm I và tiếp xúc với trục Oy.

– Gọi M là hình chiếu của I(1;-2;3) lên Oy, ta có M(0;-2;0)

– Ta có:  ⇒  là bán kính của mặt cầu cần tìm.

⇒ (x – 1)+ (y + 2)2 + (z – 3)2 = 10.

b) Viết phương trình mặt cầu tâm I tiếp xúc với đường thẳng (Δ)

– Phương trình đường thẳng (Δ) đi qua điểm M(-1;2;-3) có VTCP

– Ta có   và

⇒ Phương trình mặt cầu I(1;-2;3) bán kính  là:

 (x – 1)+ (y + 2)2 + (z – 3)2 = 50.

* Ví dụ 3: Mặt cầu (S) tâm I(2;3;-1) cắt đường thẳng (Δ) :  tại 2 điểm A và B sao cho AB = 16. Viết phương trình của (S).

* Lời giải:

– Đường thẳng (Δ) đi qua điểm M(11;0;-25) có VTCP là

– Gọi H là hình chiếu của I lên (Δ), vì vậy

mặt phẳng cắt mặt cầu tại 2 điểm

– Ta có    và

  

⇒ 

⇒ Mặt cầu (S) có tâm  I(2;3;-1) và bán kính R = 17 có phương trình là:

 (x – 2)2 + (y – 3)2 + (z + 1)2 = 172 = 289.

* Ví dụ 4: Cho điểm I(1;0;0) và đường thẳng (Δ):  . Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm I và cắt đường thẳng (Δ) tại 2 điểm A, B sao cho tam giác IAB đều.

* Lời giải:

– Đường thẳng (Δ) đi qua M(1;1;-2) và có VTCP

– Ta có ;

– Gọi H là hình chiếu của I lên (Δ) , ta có:

  

– Xét tam giác IAB có IH = Rsin(600) nên: 

⇒ Mặt cầu có phương trình là: 

Xem thêm bài viết thuộc chuyên mục: Toán học

Bài viết hay nhất

Trắc nghiệm tiếng anh 11 unit 4: Volunteer work (P1)
Cách Bảo Quản Cùi Bưởi Để Nấu Chè Ăn, Để Bảo Quản Được Lâu Mà Vẫn
Cách Bảo Quản Cùi Bưởi Để Nấu Chè Ăn, Để Bảo Quản Được Lâu Mà Vẫn
Trắc nghiệm lịch sử 11 bài 6: Chiến tranh thế giới thứ nhất (1914 – 1918) (P1)
Giải GDQP- AN 11 bài 3: Bảo vệ chủ quyền lãnh thổ và biên giới quốc gia
Giải GDQP- AN 10 bài 2: Lịch sử, truyền thống của Quân đội và Công an nhân dân Việt Nam
Giải Thích Về Đồ Thị Pha Phối Khí Trên Động Cơ, Cấu Tạo Hệ Thống Phối Khí Trên Động Cơ
Giải Thích Về Đồ Thị Pha Phối Khí Trên Động Cơ, Cấu Tạo Hệ Thống Phối Khí Trên Động Cơ
Cách Nấu Nước Cốt Dừa Đóng Hộp Đảm Bảo Nhất, Cách Dùng Nước Cốt Dừa Đóng Hộp
Cách Nấu Nước Cốt Dừa Đóng Hộp Đảm Bảo Nhất, Cách Dùng Nước Cốt Dừa Đóng Hộp
Diện Áo Lông Đa Phong Cách Phối Đồ Với Áo Khoác Lông Ngắn, 3 Tips Mặc Áo Khoác Lông Sang Chảnh Như Sao
Diện Áo Lông Đa Phong Cách Phối Đồ Với Áo Khoác Lông Ngắn, 3 Tips Mặc Áo Khoác Lông Sang Chảnh Như Sao
Top 12 Cách Phối Đồ Với Áo Măng Tô Ngắn, 8 Cách Phối Đồ Với Măng Tô Nam Nữ
Top 12 Cách Phối Đồ Với Áo Măng Tô Ngắn, 8 Cách Phối Đồ Với Măng Tô Nam Nữ
Trắc nghiệm sinh học 11 bài 8: Quang hợp ở thực vật
Trắc nghiệm công dân 9 bài 3: Dân chủ và kỉ luật
Cách Phối Đồ Đi Đám Cưới Cho Nữ Mùa Đông Đẹp, Cách Chọn Trang Phục Mặc Đi Đám Cưới Mùa Đông
Cách Phối Đồ Đi Đám Cưới Cho Nữ Mùa Đông Đẹp, Cách Chọn Trang Phục Mặc Đi Đám Cưới Mùa Đông
Cách Phối Đồ Với Quần Jean Ống Suông Mùa Đông Cực Đẹp Và Khí Chất
Cách Phối Đồ Với Quần Jean Ống Suông Mùa Đông Cực Đẹp Và Khí Chất
Cách Sử Dụng Nồi Nấu Cháo Chậm Trung Quốc, Nồi Kho Cá Hầm Cháo Chậm Đa Năng Yibao 1,5 Lít
Cách Sử Dụng Nồi Nấu Cháo Chậm Trung Quốc, Nồi Kho Cá Hầm Cháo Chậm Đa Năng Yibao 1,5 Lít
Cách Nấu Chè Trôi Nước Bằng Bột Năng Ngon Độc Đáo, Cách Nấu Chè Trôi Nước Ngon Dẻo Mềm Không Bị Cứng
Cách Nấu Chè Trôi Nước Bằng Bột Năng Ngon Độc Đáo, Cách Nấu Chè Trôi Nước Ngon Dẻo Mềm Không Bị Cứng