Chào mừng bạn đến với bài học về lý thuyết phương trình mặt phẳng trong chương trình Toán 12 Chân trời sáng tạo tại giaitoan.edu.vn. 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.
Chúng tôi cung cấp bài giảng chi tiết, dễ hiểu cùng với các bài tập thực hành đa dạng để bạn có thể nắm vững kiến thức và áp dụng vào giải quyết các bài toán 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: \(d\left( {M,(P)} \right) = \frac{{\left| {1.1 + 1.2 + 1.3 + 12} \right|}}{{\sqrt {{1^2} + {1^2} + {1^2}} }} = \frac{{18}}{{\sqrt 3 }} = 6\sqrt 3 \).
Trong chương trình Toán 12 Chân trời sáng tạo, phương trình mặt phẳng đóng vai trò then chốt trong việc nghiên cứu hình học không gian. Hiểu rõ lý thuyết này là nền tảng để giải quyết các bài toán liên quan đến vị trí tương quan giữa các mặt phẳng, đường thẳng và các yếu tố hình học khác.
Một mặt phẳng (P) trong không gian Oxyz được xác định bởi một điểm M0(x0; y0; z0) thuộc mặt phẳng và một vector pháp tuyến \vec{n} = (A; B; C) vuông góc với mọi vector nằm trong mặt phẳng.
Phương trình tổng quát của mặt phẳng (P) có dạng:
A(x - x0) + B(y - y0) + C(z - z0) = 0
Trong đó:
Ngoài dạng tổng quát, phương trình mặt phẳng còn có một số dạng đặc biệt:
Một điểm M(x; y; z) thuộc mặt phẳng (P): A(x - x0) + B(y - y0) + C(z - z0) = 0 khi và chỉ khi tọa độ của điểm M thỏa mãn phương trình của mặt phẳng.
Cho hai mặt phẳng (P1): A1x + B1y + C1z + D1 = 0 và (P2): A2x + B2y + C2z + D2 = 0:
Góc \varphi giữa hai mặt phẳng (P1) và (P2) được tính bởi công thức:
cos \varphi = \frac{|A_1A_2 + B_1B_2 + C_1C_2|}{\sqrt{A_1^2 + B_1^2 + C_1^2} \sqrt{A_2^2 + B_2^2 + C_2^2}}
Để củng cố kiến thức, bạn có thể thực hành giải các bài tập sau:
Hy vọng bài học này đã cung cấp cho bạn những kiến thức cơ bản và quan trọng về lý thuyết phương trình mặt phẳng trong chương trình Toán 12 Chân trời sáng tạo. Hãy luyện tập thường xuyên để nắm vững kiến thức và tự tin giải quyết các bài toán liên quan.
