Chào mừng bạn đến với bài học về lý thuyết Phương trình mặt phẳng trong chương trình Toán 12 Chân trời sáng tạo. Đây là một phần kiến thức quan trọng trong hình học không gian, giúp bạn hiểu rõ hơn về vị trí tương quan giữa các mặt phẳng và đường thẳng trong không gian.
Bài học này sẽ cung cấp đầy đủ các khái niệm, định lý và công thức cần thiết để bạn có thể giải quyết các bài toán liên quan đến phương trình mặt phẳng một cách hiệu quả.
1. Vecto pháp tuyến và cặp vecto chỉ phương của mặt phẳng Vecto pháp tuyến
1. Vecto pháp tuyến và cặp vecto chỉ phương của mặt phẳng
Vecto pháp tuyến
| Vecto \(\overrightarrow n \ne \overrightarrow 0 \) được gọi là vecto pháp tuyến của mặt phẳng \(\left( \alpha \right)\) nếu giá của \(\overrightarrow n \) vuông góc với \(\left( \alpha \right)\). |
Cặp vecto chỉ phương
| Cho mặt phẳng \(\left( \alpha \right)\). Nếu hai vecto \(\overrightarrow a ,\overrightarrow b \) không cùng phương, có giá song song hoặc nằm trong \(\left( \alpha \right)\) thì \(\overrightarrow a ,\overrightarrow b \) được gọi là cặp vecto chỉ phương của \(\left( \alpha \right)\). |
Ví dụ: Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’.
a) Tìm một cặp vecto chỉ phương của mặt phẳng (ABCD).
b) Tìm một cặp vecto pháp
tuyến của mặt phẳng (ABCD).
Giải:
a) Vì \(\overrightarrow {AB} \) và \(\overrightarrow {AD} \) không cùng phương và có giá nằm trong mặt phẳng (ABCD) nên \(\overrightarrow {AB} \), \(\overrightarrow {AD} \) là một cặp vecto pháp tuyến của (ABCD).
b) Vì \(AA'\)\( \bot \)(ABCD) nên \(\overrightarrow {AA'} \) là một vecto pháp tuyến của (ABCD).
2. Xác định vecto pháp tuyến của mặt phẳng khi biết cặp vecto chỉ phương
Trong không gian Oxyz, nếu mặt phẳng \(\left( \alpha \right)\) nhận hai vecto \(\overrightarrow a = ({a_1};{a_2};{a_3})\), \(\overrightarrow b = ({b_1};{b_2};{b_3})\) làm cặp vecto chỉ phương thì \(\left( \alpha \right)\) nhận vecto \(\overrightarrow n = ({a_2}{b_3} - {a_3}{b_2};{a_3}{b_1} - {a_1}{b_3};{a_1}{b_2} - {a_2}{b_1})\) làm vecto pháp tuyến. |
Vecto \(\overrightarrow n = ({a_2}{b_3} - {a_3}{b_2};{a_3}{b_1} - {a_1}{b_3};{a_1}{b_2} - {a_2}{b_1})\) còn được gọi là tích có hướng của hai vecto \(\overrightarrow a = ({a_1};{a_2};{a_3})\) và \(\overrightarrow b = ({b_1};{b_2};{b_3})\), kí hiệu là \(\left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right]\).
Biểu thức \({a_1}{b_2} - {a_2}{b_1}\) thường được kí hiệu là \(\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{{a_1}}&{{a_2}}\\{{b_1}}&{{b_2}}\end{array}} \right|\).
Nếu \(\overrightarrow a ,\overrightarrow b \) cùng phương \( \Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right] = 0\).
Ví dụ: Cho mặt phẳng (P) nhận \(\overrightarrow a = (1;2;3)\), \(\overrightarrow b = (4;1;5)\) làm cặp vecto chỉ phương. Tìm một vecto pháp tuyến của (P).
Giải: Ta có tích có hướng của hai vecto \(\overrightarrow a \), \(\overrightarrow b \) là
\(\left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right] = (2.5 - 3.1;3.4 - 1.5;1.1 - 2.4) = (7;7; - 7)\).
Do đó, mặt phẳng (P) nhận \(\overrightarrow n = \frac{1}{7}\left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right] = (1;1; - 1)\) làm một vecto pháp tuyến.
3. Phương trình tổng quát của mặt phẳng
Khái niệm phương trình tổng quát của mặt phẳng
| Trong không gian Oxyz, mỗi mặt phẳng đều có phương trình dạng Ax + By + Cz + D = 0, trong đó A, B, C không đồng thời bằng 0, được gọi là phương trình tổng quát của mặt phẳng đó. |
Mỗi phương trình Ax + By + Cz + D = 0 (A, B, C không đồng thời bằng 0) đều xác định một mặt phẳng nhận \(\overrightarrow n = (A;B;C)\) làm vecto pháp tuyến.
Cho mặt phẳng có phương trình tổng quát là Ax + By + Cz + D = 0 . Khi đó \(N({x_0};{y_0};{z_0}) \in (\alpha ) \Leftrightarrow A{x_0} + B{y_0} + C{z_0} + D = 0\).
Ví dụ: Cho hai mặt phẳng (P), (Q) có phương trình tổng quát là
(P): \(3x - 5y + 7z = 0\) và (Q): \(x + y - 2 = 0\).
a) Tìm một vecto pháp tuyến của mỗi mặt phẳng (P), (Q).
b) Tìm điểm thuộc mặt phẳng (P) trong số các điểm A(1;3;1), B(1;2;3).
Giải:
a) Mặt phẳng (P) có một vecto pháp tuyến là \(\overrightarrow n = (3; - 5;7)\).
Mặt phẳng (Q) có một vecto pháp tuyến là \(\overrightarrow n = (1;1;0)\).
b) Thay tọa độ điểm A vào phương trình của (P), ta được: 3.1 – 5.3 + 7.1 + 5 = 0.
Vậy A thuộc (P).
Thay tọa độ điểm B vào phương trình của (P), ta được: 3.1 – 5.2 + 7.3 + 5 = 19 \( \ne 0\).
Vậy B không thuộc (P).
Lập phương trình tổng quát của mặt phẳng đi qua một điểm và biết vecto pháp tuyến
Trong không gian Oxyz, nếu mặt phẳng \(\left( \alpha \right)\) đi qua điểm \({M_0}({x_0};{y_0};{z_0})\) và có vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n = (A;B;C)\) có phương trình là: \(A(x - {x_0}) + B(y - {y_0}) + C(z - {z_0}) = 0 \Leftrightarrow Ax + By + Cz + D = 0\), với \(D = - (A{x_0} + B{y_0} + C{z_0})\) |
Ví dụ: Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua điểm M(1;2;3) và có vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n = (1;2;1)\).
Giải: Vì (P) đi qua điểm M(1;2;1) và có vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n = (1;2;1)\) nên phương trình của (P) là \(1\left( {x--1} \right) + 2\left( {y--2} \right) + 1\left( {z--3} \right) = 0 \Leftrightarrow x + 2y - 8 = 0\).
Lập phương trình mặt phẳng đi qua một điểm và biết cặp vecto chỉ phương
Trong không gian Oxyz, bài toán viết phương trình mặt phẳng đi qua điểm M và biết cặp vecto chỉ phương \(\overrightarrow u \), \(\overrightarrow v \) có thể thực hiện theo các bước sau: - Tìm vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n = \left[ {\overrightarrow u ,\overrightarrow v } \right]\). - Lập phương trình tổng quát của mặt phẳng đi qua M và biết vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n \). |
Ví dụ: Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua điểm N(4;0;1) và có cặp vecto chỉ phương là \(\overrightarrow a = (1;2;1)\), \(\overrightarrow b = (2;1;3)\).
Giải: (P) có cặp vecto chỉ phương là \(\overrightarrow a = (1;2;1)\), \(\overrightarrow b = (2;1;3)\), suy ra (P) có vecto pháp tuyến là \(\overrightarrow n = \left[ {\overrightarrow a ,\overrightarrow b } \right] = (2.3 - 1.1;1.2 - 1.3;1.1 - 2.2) = (5; - 1; - 3)\).
Phương trình của (P) là \(5(x - 4) - 1(y - 0) - 3(z - 1) = 0 \Leftrightarrow 5x - y - 3z - 17 = 0\).
Lập phương trình mặt phẳng đi qua ba điểm không thẳng hàng
Trong không gian Oxyz, bài toán viết phương trình mặt phẳng đi qua ba điểm không thẳng hàng A, B, C có thể thực hiện theo các bước sau: - Tìm cặp vecto chỉ phương \(\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} \). - Tìm vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n = \left[ {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} } \right]\). - Lập phương trình tổng quát của mặt phẳng đi qua A và biết vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n \). |
Ví dụ: Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua ba điểm A(1;1;1), B(1;2;2), C(4;1;0).
Giải: (P) đi qua ba điểm A(1;1;1), B(1;2;2), C(4;1;0) nên có cặp vecto chỉ phương là \(\overrightarrow {AB} = (0;1;1)\), \(\overrightarrow {AC} = (3;0; - 1)\), suy ra (P) có vecto pháp tuyến là
\(\overrightarrow n = \left[ {\overrightarrow {AB} ,\overrightarrow {AC} } \right] = (1.( - 1) - 1.0;1.3 - 0.( - 1);0.0 - 1.3) = ( - 1;3; - 3)\).
Phương trình của (P) là \( - 1(x - 1) + 3(y - 1) - 3(z - 1) = 0 \Leftrightarrow x - 3y + 3z = 0\).
Phương trình mặt phẳng theo đoạn chắn
| Phương trình mặt phẳng cắt ba trục tọa độ tại ba điểm A(a;0;0), B(0;b;0), C(0;0;c) với a, b, c \( \ne \) 0 có dạng \(\frac{x}{a} + \frac{y}{b} + \frac{z}{c} = 1\) gọi là phương trình mặt phẳng theo đoạn chắn. |
4. Điều kiện để hai mặt phẳng song song, vuông góc
Điều kiện để hai mặt phẳng song song
Trong không gian Oxyz, cho hai mặt phẳng: \(\left( \alpha \right):Ax + By + Cz + D = 0,\left( \beta \right):A'x + B'y + C'z + D' = 0,\) với hai vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n = (A;B;C)\), \(\overrightarrow {n'} = (A';B';C')\) tương ứng. Khi đó: \(\left( \alpha \right)//\left( \beta \right) \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}\overrightarrow {n'} = k\overrightarrow n \\D' \ne kD\end{array} \right.\) với k nào đó. |
Ví dụ: Mặt phẳng (P): \(4x + 3y + z + 5 = 0\) song song với mặt phẳng nào sau đây?
a) (Q): \(8x + 6y + 2z + 9 = 0\);
b) (R): \(8x + 6y + 2z + 10 = 0\);
c) (S): \(4x + 2y + z + 5 = 0\).
Giải: Các mặt phẳng (P), (Q), (R), (S) có các vecto pháp tuyến lần lượt là \(\overrightarrow {{n_1}} = (4;3;1)\), \(\overrightarrow {{n_2}} = (8;6;2)\), \(\overrightarrow {{n_3}} = (8;6;2)\), \(\overrightarrow {{n_4}} = (4;2;1)\).
a) Ta có \(\overrightarrow {{n_2}} = 2\overrightarrow {{n_1}} \), \(9 \ne 2.5\). Vậy (P)//(Q).
b) Ta có \(\overrightarrow {{n_3}} = 2\overrightarrow {{n_1}} \), \(10 \ne 2.5\). Vậy (P)\( \equiv \)(R).
c) Ta có \(\frac{4}{3} \ne \frac{3}{2}\) suy ra \(\overrightarrow {{n_1}} \) và \(\overrightarrow {{n_4}} \) không cùng phương. Vậy (P) cắt (S).
Điều kiện để hai mặt phẳng vuông góc
Trong không gian Oxyz, cho hai mặt phẳng: \(\left( \alpha \right):Ax + By + Cz + D = 0,\left( \beta \right):A'x + B'y + C'z + D' = 0,\) với hai vecto pháp tuyến \(\overrightarrow n = (A;B;C)\), \(\overrightarrow {n'} = (A';B';C')\) tương ứng. Khi đó: \(\left( \alpha \right) \bot \left( \beta \right) \Leftrightarrow \overrightarrow n \bot \overrightarrow {n'} \Leftrightarrow AA' + BB' + CC' = 0\) |
Ví dụ: Cho ba mặt phẳng (P), (Q), (R) có phương trình là
(P): \(x - 4y + 3z + 2 = 0\), (Q): \(4x + y + 88 = 0\), (R): \(x + y + z + 9 = 0\). Chứng minh rằng (P) ⊥ (Q), (P) ⊥ (R).
Giải: Các mặt phẳng (P), (Q), (R) có vecto pháp tuyến lần lượt là \(\overrightarrow {{n_1}} = (1; - 4;3)\), \(\overrightarrow {{n_2}} = (4;1;0)\), \(\overrightarrow {{n_3}} = (1;1;1)\).
Ta có \(\overrightarrow {{n_1}} .\overrightarrow {{n_2}} = 1.4 + ( - 4).1 + 3.0 = 0\). Vậy (P) ⊥ (Q).
Ta có \(\overrightarrow {{n_1}} .\overrightarrow {{n_3}} = 1.1 + ( - 4).1 + 3.1 = 0\). Vậy (P) ⊥ (R).
5. Khoảng cách từ một điểm đến một mặt phẳng
Trong không gian Oxyz, khoảng cách từ điểm \({M_0}({x_0};{y_0};{z_0})\) đến mặt phẳng (P): Ax + By + Cz + D = 0 là: \(d(M,(P)) = \frac{{\left| {A{x_0}{\rm{ }} + {\rm{ }}B{y_0}{\rm{ }} + {\rm{ }}C{z_0}{\rm{ }} + {\rm{ }}D} \right|}}{{\sqrt {{A^2} + {B^2} + {C^2}} }}\) |
Ví dụ: Tìm khoảng cách từ điểm M(1;2;3) đến mặt phẳng (P): \(x + y + z + 12 = 0\).
Giải: \(d\left( {M,(P)} \right) = \frac{{\left| {1.1 + 1.2 + 1.3 + 12} \right|}}{{\sqrt {{1^2} + {1^2} + {1^2}} }} = \frac{{18}}{{\sqrt 3 }} = 6\sqrt 3 \).
Phương trình mặt phẳng là một công cụ quan trọng trong hình học không gian, cho phép chúng ta mô tả vị trí của một mặt phẳng trong không gian ba chiều. Để hiểu rõ về phương trình mặt phẳng, chúng ta cần nắm vững các khái niệm cơ bản sau:
Một vectơ được gọi là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng nếu vectơ đó vuông góc với mọi vectơ nằm trong mặt phẳng. Vectơ pháp tuyến đóng vai trò quan trọng trong việc xác định phương trình của mặt phẳng.
Phương trình tổng quát của mặt phẳng có dạng:
ax + by + cz + d = 0
Trong đó:
Phương trình tham số của mặt phẳng có dạng:
x = x0 + at + bu
y = y0 + bt + cv
z = z0 + ct + dv
Trong đó:
Ba điểm A, B, C không thẳng hàng xác định một mặt phẳng duy nhất khi và chỉ khi vectơ AB và vectơ AC không cùng phương.
Góc giữa hai mặt phẳng là góc giữa hai vectơ pháp tuyến của chúng. Công thức tính góc θ giữa hai mặt phẳng (P) và (Q) có vectơ pháp tuyến lần lượt là n1 và n2:
cos θ = |n1.n2| / (|n1||n2|)
Khoảng cách d từ điểm M(x0, y0, z0) đến mặt phẳng (P): ax + by + cz + d = 0 được tính theo công thức:
d = |ax0 + by0 + cz0 + d| / √(a2 + b2 + c2)
Ví dụ 1: Lập phương trình mặt phẳng đi qua điểm A(1, 2, 3) và có vectơ pháp tuyến n = (1, -1, 2).
Giải: Phương trình mặt phẳng có dạng: 1(x - 1) - 1(y - 2) + 2(z - 3) = 0. Rút gọn ta được: x - y + 2z - 3 = 0.
Ví dụ 2: Tính khoảng cách từ điểm M(0, 0, 0) đến mặt phẳng 2x - y + z + 1 = 0.
Giải: Khoảng cách d = |2(0) - 0 + 0 + 1| / √(22 + (-1)2 + 12) = 1 / √6 = √6 / 6.
Hy vọng bài học này đã cung cấp cho bạn những kiến thức cơ bản và cần thiết về lý thuyết Phương trình mặt phẳng Toán 12 Chân trời sáng tạo. Chúc bạn học tập tốt!
Stay updated with the latest technology news, learn new skills with our how-to guides, and discover your next favorite film or album. Explore now!
Khám phá 'Sự Cứu Rỗi Của Thánh Nữ' của Higashino Keigo - một vụ án mạng phức tạp, xoay quanh những bí mật đen tối và góc khuất tâm lý. Đọc ngay để hiểu rõ hơn về sự thật rùng rợn!
Tìm hiểu về Fractal, một khái niệm hình học độc đáo. Bài viết này sẽ hé lộ những điều thú vị về Fractal mà bạn chưa từng biết! Khám phá ngay!
Giải mã paradox - hiện tượng tưởng chừng vô nghĩa nhưng chứa đựng triết lý sâu sắc. Khám phá các loại paradox phổ biến và ứng dụng bất ngờ của chúng! Click để tìm hiểu!
Đắm chìm vào thế giới trinh thám đầy u ám của 'Tên của trò chơi là bắt cóc'. Phân tích sâu về tâm lý nhân vật, ranh giới thiện ác mong manh và những bí mật bị che giấu. Liệu bạn có dám đối mặt với sự thật khi ai cũng là kẻ ác? Khám phá ngay!
Khám phá phương pháp độc đáo giúp con tự tin giải quyết bài tập Toán nâng cao lớp 1. Xem ngay lời giải chi tiết, dễ hiểu và các mẹo học tập hiệu quả! Đừng bỏ lỡ!
