Ôn Thi Đại Họcby ToanKhonTech
Kiến thức trọng tâmLớp 12

Phương pháp tọa độ trong không gian

Phương trình mặt phẳng, đường thẳng, mặt cầu trong Oxyz, công thức góc và khoảng cách, vị trí tương đối, bài toán thực tế kèm ví dụ giải từng bước.

Phương pháp tọa độ trong không gian (OxyzOxyz) luôn có mặt ở cả ba phần của đề: phần I hỏi vectơ pháp tuyến, phương trình mặt phẳng, đường thẳng, mặt cầu; phần II thường là một tình huống thực tế (mái che, tấm kính, đường bay, tia sáng) với 4 ý tính khoảng cách, góc; phần III yêu cầu ra một con số như độ dài, góc, khoảng cách. Bài này gom toàn bộ công thức vào một chỗ và chỉ ra thứ tự làm cho từng dạng.

Kiến thức trọng tâm

Mặt phẳng

  • Vectơ n⃗≠0⃗\vec{n} \ne \vec{0} có giá vuông góc với (P)(P) là vectơ pháp tuyến của (P)(P). Hai vectơ không cùng phương a⃗\vec{a}, b⃗\vec{b} có giá song song hoặc nằm trong (P)(P) gọi là cặp vectơ chỉ phương; khi đó n⃗=[a⃗,b⃗]\vec{n} = \left[\vec{a}, \vec{b}\right].
  • Mặt phẳng qua M0(x0;y0;z0)M_0(x_0; y_0; z_0), vectơ pháp tuyến n⃗=(a;b;c)\vec{n} = (a; b; c):
a(x−x0)+b(y−y0)+c(z−z0)=0.a(x - x_0) + b(y - y_0) + c(z - z_0) = 0.
  • Phương trình tổng quát ax+by+cz+d=0ax + by + cz + d = 0 (với a2+b2+c2>0a^2 + b^2 + c^2 > 0) có n⃗=(a;b;c)\vec{n} = (a; b; c).
  • Mặt phẳng cắt các trục tại (m;0;0)(m; 0; 0), (0;n;0)(0; n; 0), (0;0;p)(0; 0; p) với mnp≠0mnp \ne 0 (phương trình đoạn chắn): xm+yn+zp=1{\dfrac{x}{m} + \dfrac{y}{n} + \dfrac{z}{p} = 1}.
  • (P)∥(Q)(P) \parallel (Q) khi hai vectơ pháp tuyến cùng phương (và hai mặt phẳng không trùng); (P)⊥(Q)⇔n⃗P⋅n⃗Q=0{(P) \perp (Q) \Leftrightarrow \vec{n}_P\cdot\vec{n}_Q = 0}.

Đường thẳng

Đường thẳng dd qua M0(x0;y0;z0)M_0(x_0; y_0; z_0), vectơ chỉ phương u⃗=(a;b;c)\vec{u} = (a; b; c):

  • Phương trình tham số:
{x=x0+aty=y0+btz=z0+ct(t∈R).\begin{cases} x = x_0 + at \\ y = y_0 + bt \\ z = z_0 + ct \end{cases} \quad (t \in \mathbb{R}).
  • Phương trình chính tắc (khi abc≠0abc \ne 0):
x−x0a=y−y0b=z−z0c.\dfrac{x - x_0}{a} = \dfrac{y - y_0}{b} = \dfrac{z - z_0}{c}.

Vị trí tương đối của d1d_1 (qua M1M_1, u⃗1\vec{u}_1) và d2d_2 (qua M2M_2, u⃗2\vec{u}_2):

Trường hợp Dấu hiệu
Song song hoặc trùng nhau u⃗1\vec{u}_1, u⃗2\vec{u}_2 cùng phương; trùng nhau khi thêm M1∈d2M_1 \in d_2
Cắt nhau Không cùng phương, hệ phương trình tìm giao điểm có đúng một nghiệm
Chéo nhau Không cùng phương và hệ vô nghiệm, tương đương [u⃗1,u⃗2]⋅M1M2→≠0\left[\vec{u}_1, \vec{u}_2\right]\cdot\overrightarrow{M_1M_2} \ne 0

Mặt cầu

  • Mặt cầu tâm I(a;b;c)I(a; b; c), bán kính RR: (x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2(x - a)^2 + (y - b)^2 + (z - c)^2 = R^2.
  • Phương trình x2+y2+z2−2ax−2by−2cz+d=0x^2 + y^2 + z^2 - 2ax - 2by - 2cz + d = 0 là mặt cầu khi và chỉ khi a2+b2+c2−d>0a^2 + b^2 + c^2 - d > 0; khi đó tâm I(a;b;c)I(a; b; c), R=a2+b2+c2−dR = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2 - d}.
  • Với h=d(I,(P))h = d\left(I, (P)\right): h>Rh > R thì không cắt; h=Rh = R thì (P)(P) tiếp xúc mặt cầu (tiếp điểm là hình chiếu của II trên (P)(P)); h<Rh < R thì cắt theo đường tròn bán kính r=R2−h2r = \sqrt{R^2 - h^2}.

Góc và khoảng cách

Đại lượng Công thức
Góc giữa hai đường thẳng cos⁡(d1,d2)=∣u⃗1⋅u⃗2∣∣u⃗1∣⋅∣u⃗2∣\cos(d_1, d_2) = \dfrac{\lvert\vec{u}_1\cdot\vec{u}_2\rvert}{\lvert\vec{u}_1\rvert\cdot\lvert\vec{u}_2\rvert}
Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng sin⁡(d,(P))=∣u⃗⋅n⃗∣∣u⃗∣⋅∣n⃗∣\sin\left(d, (P)\right) = \dfrac{\lvert\vec{u}\cdot\vec{n}\rvert}{\lvert\vec{u}\rvert\cdot\lvert\vec{n}\rvert}
Góc giữa hai mặt phẳng cos⁡((P),(Q))=∣n⃗P⋅n⃗Q∣∣n⃗P∣⋅∣n⃗Q∣\cos\left((P), (Q)\right) = \dfrac{\lvert\vec{n}_P\cdot\vec{n}_Q\rvert}{\lvert\vec{n}_P\rvert\cdot\lvert\vec{n}_Q\rvert}
Khoảng cách từ M0M_0 đến (P) ⁣:ax+by+cz+d=0(P)\colon ax + by + cz + d = 0 d(M0,(P))=∣ax0+by0+cz0+d∣a2+b2+c2d\left(M_0, (P)\right) = \dfrac{\lvert ax_0 + by_0 + cz_0 + d\rvert}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}
Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song (cùng hệ số aa, bb, cc, khác hằng số d1d_1, d2d_2) ∣d1−d2∣a2+b2+c2\dfrac{\lvert d_1 - d_2\rvert}{\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}}

Mô hình dưới đây dựng đúng các đối tượng trong Dạng 1 và Dạng 4: mặt phẳng (P)(P) đi qua AA, BB, CC, mặt cầu (S)(S) tiếp xúc (P)(P) tại HH, và đường thẳng Δ\Delta qua tâm II vuông góc với (P)(P). Xoay hình để thấy IHIH chính là bán kính vuông góc với mặt phẳng.

Hệ tọa độ Oxyz 3D

Mặt cầu (S) tâm I(1; 4; 3), bán kính 3 tiếp xúc mặt phẳng (P) x + 2y + 2z − 6 = 0 tại H(0; 2; 1); đường thẳng Δ qua I nhận vectơ pháp tuyến (1; 2; 2) của (P) làm vectơ chỉ phương

Đang chuẩn bị mô hình…

Dạng bài thường gặp trong đề thi

Dạng 1: Viết phương trình mặt phẳng

Xem lời giải

AB→=(−2;3;−2)\overrightarrow{AB} = (-2; 3; -2), AC→=(−2;1;0)\overrightarrow{AC} = (-2; 1; 0).

[AB→,AC→]=(3⋅0−(−2)⋅1;(−2)⋅(−2)−(−2)⋅0;(−2)⋅1−3⋅(−2))=(2;4;4).\begin{aligned} \left[\overrightarrow{AB}, \overrightarrow{AC}\right] &= \big(3\cdot 0 - (-2)\cdot 1; \\ &\qquad (-2)\cdot(-2) - (-2)\cdot 0; \\ &\qquad (-2)\cdot 1 - 3\cdot(-2)\big) \\ &= (2; 4; 4). \end{aligned}

Chọn n⃗=(1;2;2)\vec{n} = (1; 2; 2) (cùng phương). Mặt phẳng qua A(2;0;2)A(2; 0; 2):

(x−2)+2y+2(z−2)=0⇔x+2y+2z−6=0.\begin{aligned} & (x - 2) + 2y + 2(z - 2) = 0 \\ \Leftrightarrow {} & x + 2y + 2z - 6 = 0. \end{aligned}

Thử lại: tọa độ của BB, CC đều thỏa mãn phương trình.

Xem lời giải

Phương trình đoạn chắn: x3+y−2+z6=1\dfrac{x}{3} + \dfrac{y}{-2} + \dfrac{z}{6} = 1. Nhân hai vế với 66: 2x−3y+z−6=02x - 3y + z - 6 = 0.

Dạng 2: Đường thẳng và giao điểm với mặt phẳng

Xem lời giải

Phương trình tham số: x=4−2tx = 4 - 2t, y=−1+ty = -1 + t, z=3+tz = 3 + t.

Thay vào (P)(P): (4−2t)+2(−1+t)+2(3+t)−6=0⇔2+2t=0⇔t=−1(4 - 2t) + 2(-1 + t) + 2(3 + t) - 6 = 0 \Leftrightarrow 2 + 2t = 0 \Leftrightarrow t = -1.

Giao điểm (6;−2;2)(6; -2; 2).

Dạng 3: Góc và khoảng cách

Xem lời giải

a) u⃗=(1;0;1)\vec{u} = (1; 0; 1), n⃗=(1;2;2)\vec{n} = (1; 2; 2): sin⁡(d,(P))=∣1+0+2∣2⋅3=22\sin\left(d, (P)\right) = \dfrac{\lvert 1 + 0 + 2\rvert}{\sqrt{2}\cdot 3} = \dfrac{\sqrt{2}}{2}, nên góc bằng 45∘45^\circ.

b) (Oxy)(Oxy) có vectơ pháp tuyến k⃗=(0;0;1)\vec{k} = (0; 0; 1): cos⁡=∣2∣3⋅1=23\cos = \dfrac{\lvert 2\rvert}{3\cdot 1} = \dfrac{2}{3}, nên góc ≈48,2∘\approx 48{,}2^\circ.

Dạng 4: Mặt cầu tiếp xúc, cắt mặt phẳng

Xem lời giải

R=d(I,(P))=∣1+8+6−6∣1+4+4=3R = d\left(I, (P)\right) = \dfrac{\lvert 1 + 8 + 6 - 6\rvert}{\sqrt{1 + 4 + 4}} = 3, nên (S) ⁣:(x−1)2+(y−4)2+(z−3)2=9(S)\colon (x - 1)^2 + (y - 4)^2 + (z - 3)^2 = 9.

Tiếp điểm là hình chiếu của II trên (P)(P). Đường thẳng Δ\Delta qua II vuông góc với (P)(P): x=1+t{x = 1 + t}, y=4+2t{y = 4 + 2t}, z=3+2t{z = 3 + 2t}. Thay vào (P)(P): 9t+9=0⇒t=−19t + 9 = 0 \Rightarrow t = -1, nên H(0;2;1)H(0; 2; 1).

Dạng 5: Tình huống thực tế — câu đúng/sai (phần II)

Xem lời giải

a) Đúng. Hệ số của xx, yy, zz là (1;2;2)(1; 2; 2).

b) Đúng. d(I,(P))=∣1+8+6−6∣3=3d\left(I, (P)\right) = \dfrac{\lvert 1 + 8 + 6 - 6\rvert}{3} = 3.

c) Sai. Điểm (1;2;0)(1; 2; 0) không thuộc (P)(P) vì 1+4+0−6=−1≠01 + 4 + 0 - 6 = -1 \ne 0; chân đường vuông góc là H(0;2;1)H(0; 2; 1) (Dạng 4).

d) Sai. Góc giữa (P)(P) và sàn có cos⁡=23\cos = \dfrac{2}{3}, tức khoảng 48,2∘<50∘48{,}2^\circ < 50^\circ.

Dạng 6: Bài toán thực tế trả lời ngắn (phần III)

Xem lời giải
xyzOTT'
Tia nắng qua đỉnh TT (nét đứt) chạm mặt đất tại T′T'; bóng của cột cờ là đoạn OT′OT'.

Bóng của đỉnh TT là giao điểm của đường thẳng qua TT theo hướng u⃗\vec{u} với mặt đất z=0z = 0: x=2tx = 2t, y=ty = t, z=6−3tz = 6 - 3t; z=0⇔t=2z = 0 \Leftrightarrow t = 2, được T′(4;2;0)T'(4; 2; 0).

Bóng là đoạn OT′OT': OT′=16+4=25≈4,47 (m)OT' = \sqrt{16 + 4} = 2\sqrt{5} \approx 4{,}47\,(\text{m}).

Lỗi thường gặp

Mẹo làm bài

Tự kiểm tra nhanh

  1. Viết phương trình mặt phẳng đi qua M(1;−2;3)M(1; -2; 3) và có vectơ pháp tuyến n⃗=(2;−1;4)\vec{n} = (2; -1; 4).
Xem đáp án

2(x−1)−(y+2)+4(z−3)=0⇔2x−y+4z−16=02(x - 1) - (y + 2) + 4(z - 3) = 0 \Leftrightarrow 2x - y + 4z - 16 = 0.

  1. Tìm tâm và bán kính của mặt cầu x2+y2+z2−4x+6y−2z−2=0x^2 + y^2 + z^2 - 4x + 6y - 2z - 2 = 0.
Xem đáp án

a=2a = 2, b=−3b = -3, c=1c = 1, d=−2d = -2; tâm I(2;−3;1)I(2; -3; 1), R=4+9+1+2=4R = \sqrt{4 + 9 + 1 + 2} = 4.

  1. Tính khoảng cách giữa hai mặt phẳng 2x−y+2z+1=02x - y + 2z + 1 = 0 và 2x−y+2z−8=02x - y + 2z - 8 = 0.
Xem đáp án

Hai mặt phẳng song song, cùng bộ hệ số: ∣1−(−8)∣4+1+4=93=3\dfrac{\lvert 1 - (-8)\rvert}{\sqrt{4 + 1 + 4}} = \dfrac{9}{3} = 3.

  1. Tính góc giữa hai đường thẳng có vectơ chỉ phương u⃗1=(1;1;0)\vec{u}_1 = (1; 1; 0) và u⃗2=(0;1;1)\vec{u}_2 = (0; 1; 1).
Xem đáp án

cos⁡=∣0+1+0∣2⋅2=12\cos = \dfrac{\lvert 0 + 1 + 0\rvert}{\sqrt{2}\cdot\sqrt{2}} = \dfrac{1}{2}, góc bằng 60∘60^\circ.

  1. Mặt cầu tâm OO, bán kính 55 cắt mặt phẳng x+2y+2z−9=0x + 2y + 2z - 9 = 0 theo một đường tròn. Tính bán kính đường tròn đó.
Xem đáp án

h=∣−9∣3=3<5h = \dfrac{\lvert -9\rvert}{3} = 3 < 5, nên r=52−32=4r = \sqrt{5^2 - 3^2} = 4.

Kiểm tra lại kiến thức vừa ôn

Làm 10 câu luyện tập về phương pháp tọa độ trong không gian và xem lời giải ngay sau mỗi câu.

Luyện tập ngay

Đề có câu hỏi về chủ đề này