Bài tập chọn lọc cực trị khoảng cách liên quan đến mặt cầu có đáp án chi tiết - Tự Học 365

Bài tập chọn lọc cực trị khoảng cách liên quan đến mặt cầu có đáp án chi tiết

Bài tập chọn lọc cực trị khoảng cách liên quan đến mặt cầu có đáp án chi tiết

Bài tập chọn lọc cực trị khoảng cách liên quan đến mặt cầu có đáp án

Dưới đây là một số bài tập liên quan đến mặt cầu có đáp án chi tiết

Bài tập 1: Trong không gian hệ tọa độOxyz cho ba điểm A(0;1;1);B(0;0;1);C(1;2;1)D(1;2;3)và mặt cầu (S) có phương trình (x1)2+y2+(z+1)2=4 . Tìm điểm D trên mặt phẳng (S) sao cho thể tích tứ diện ABCD lớn nhất.

Lời giải chi tiết:

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

Ta có: VABCD=13d(D;(ABC)).SABC lớn nhất d(D;(ABC))  lớn nhất

Gọi D1D2 là đường kính của mặt cầu (S) và vuông góc với mặt phẳng (ABC)

Khi đód(D;(ABC))maxD   trùng với 1 trong 2 điểm D1 hoặc D2

Đường thẳng D1D2qua I(1;0;1)  và có VTCP là n=n(ABC)=[AB;AC]=(2;2;1)

Phương trình mặt phẳng(ABC):2x2y+z+1=0.

Suy ra D1D2:{x=1+2ty=2tz=1+t, tọa độ D1;D2là nghiệm của hệ phương trình

D1D2:{x=1+2ty=2tz=1+t(x1)2+y2+(z+1)2=4[t=23t=23D1(73;43;13);D1(13;43;53)

Do d(D1;(ABC))>d(D2;(ABC))D(73;43;13) là điểm cần tìm.

.Bài tập 2: Trong không gian hệ tọa độOxyz cho điểm A(1;2;3)và mặt phẳng  (P):2x+2yz+9=0 . Đường thẳng đi qua và vuông góc với mặt phẳng(Q):3x+4y4z+5=0 cắt mặt phẳng (P) tại B. Điểm M nằm trong mặt phẳng (P) sao cho M luôn nhìn đoạn AB dưới một góc vuông và độ dài MB lớn nhất. Độ dài MB là:

A. MB=5. MB=5.                 B.  MB=52.                        C. MB=412.                          D. MB=41.

Lời giải chi tiết:

Đường thẳng d đi qua A(1;2;3)và vuông góc (Q) có phương trình là {x=1+3ty=2+4tz=34t.

B=d(P)B(1+3t;2+4t;34t)(P) suy ra t=1B(2;2;1).

Ta có {M(P)MAMBMthuộc đường tròn giao tuyến của (P)và mặt cầu (S)  (tâm I, đường kính AB).

Phương trình mặt cầu(S)(x+12)2+y2+(z+1)2=414d(I;(P))=|2.(12)+2.0+1+9|3=3.

Khi đó BK=IB2d2=52, với K là tâm đường tròn giao tuyến của (P)(S).

Để MB lớn nhất  MB là đường kính đường tròn giao tuyếnMB=2BK=5Chọn A.

Bài tập 3: Trong không gian hệ tọa độOxyz cho điểm A(1;2;3)và mặt phẳng  (P):2x+2yz+9=0 . Đường thẳng d đi qua và có véc tơ chỉ phương u=(3;4;4)cắt (P) tại điểm B. Điểm M thay đổi trong (P)sao cho M luôn nhìn đoạn AB dưới góc 90. Khi độ dài MB lớn nhất, đường thẳng MB đi qua điểm nào trong các điểm sau?

A. J(3;2;7).  B. K(3;0;15). C. H(2;1;3).              D. I(1;2;3).

Lời giải chi tiết:

Phương trình đường thẳng d:x13=y24=z+34. Vì BdB(3b+1;4b+2;4b3).

B=d(P) suy ra 2(3b+1)+2(4b+2)+4b+3+9=0b=1B(2;2;1).

Gọi là hình chiếu của A trên (P)AA:x12=y22=z+31A(3;2;1).

Theo bài ra, ta có MA2+MB2=AB2MB2=AB2MA2AB2AA2=AB2.

Độ dài MB lớn nhất khi MAMB:{x=2+ty=2z=1+2tI(1;2;3)MBChọn D.

Bài tập 4: Trong không gian hệ tọa độOxyz cho mặt cầu (S1) có tâm I(2;1;1) bán kính bằng 4 và mặt cầu (S2)có tâmJ(2;1;5) bán kính bằng 2. (P)là mặt phẳng thay đổi tiếp xúc với hai mặt cầu (S1),(S2). Đặt M, m lần lượt là giá trị lớn nhất, giá trị nhỏ nhất của khoảng cách từ điểm O đến (P). Giá trị M + m  bằng

A. 8.                                   B. 83.                               C. 9                          D. 15.

Lời giải chi tiết:

Do IJ=4>R1+R2 nên 2 mặt cầu cắt nhau.

Giả sử IJcắt (P)tại ta có MJMI=R2R1=2là trung điểm của MI

Suy ra M(2;1;9) . Khi đó (P):a(x2)+b(y1)+c(z9)=0(a2+b2+c2>0)

Mặt khác d(I;(P))=4|8c|a2+b2+c2=4|2c|a2+b2+c2=1

Do đó c0 chọn c=1a2+b2=3

Đặt a=3sint;b=3cottd(O;(P))=|2a+b+9|a2+b2+c2=|2a+b+9|2=|23sint+3cott+9|2

Mặt khác 12+323sint+3cott12+39152d015+92M+m=9. Chọn C.

Bài tập 5: (Đề thi thử nghiệm Bộ GD{}ĐT 2017) Trong không gian hệ tọa độOxyz cho mặt phẳng  (P):x2y+2z3=0 và mặt cầu (S):x2+y2+z2+2x4y2z+5=0 . Giả sử điểm M(P)N(S)sao cho  MNcùng phương với véc tơ u(1;0;1) và khoảng cách giữa M và N lớn nhất. Tính MN.

A. MN=3. B. MN=1+22. C. MN=32. D. MN=14.

Lời giải chi tiết:

Ta có: (P):x2y+2z3=0(S):(x+1)2+(y2)2+(z1)2=1

Gọi MN=k(1;0;1)sin(^MN;(P))=cos(uMN;nP)=|1+2|2.3=12^MN;(P)=45

Gọi H là hình chiếu của M trên (P) khi đó MNsin45=MH

Do đó MN=MH2lớn nhất MHmax=d(I;(P))+R=2+1=3

Suy ra MNmax=32Chọn C.

Bài tập 6: Trong không gian hệ tọa độ Oxyzcho mặt phẳng (P):x+yz3=0 và hai điểm A(1;1;1);B(3;3;3). Mặt cầu (S) đi qua hai điểm A, B và tiếp xúc với (P) tại điểm C. Biết rằng C luôn thuộc đường tròn cố định. Tính bán kính đường tròn đó.

A. R=4. B. R=6. C. R=2333.   D. R=2113.

Lời giải chi tiết:

Phương trình đường thẳng AB là: {x=ty=tz=t.

Suy ra M(3;3;3) là giao điểm của AB và mặt phẳng (P)khi đó MC là tiếp tuyến của mặt cầu (S) .

Theo tính chất phương tích ta có: MA.MB=MC2MC2=23.63=36

Do đó tập hợp điểm là đường tròn tâm M(3;3;3) bán kính R=6.  . Chọn B.

Bài tập 7: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyzcho mặt phẳng (P):x+2y+2z+18=0M là điểm di chuyển trên mặt phẳng (P)N là điểm nằm trên tia OM sao cho OM.ON=24. Tìm giá trị nhỏ nhất của khoảng cách từ N đến mặt phẳng (P).

A. Min d[N,(P)]=6.  B. Min d[N,(P)]=4.
C. Min  d[N,(P)]=2. D. Min d[N,(P)]=0.

Lời giải chi tiết:

Gọi N(a;b;c) thì ON=a2+b2+c2

Nên OM=24a2+b2+c2OM=24a2+b2+c2.ON=24a2+b2+c2(a;b;c)

Lại có M(P)24[a(a2+b2+c2)+2b(a2+b2+c2)+2c(a2+b2+c2)]+18=0

a2+b2+c2+4a3+8b3+8c3=0N(S):x2+y2+z2+4x3+8y3+8z3=0;

I(23;43;43);R=2. Khi đó d(N;(P))min=d(N;(P))R=2Chọn C.

Bài tập 8: Cho mặt cầu (S):(x2)2+(y+1)2+(z3)2=9 . Điểm M(1;0;1) di động trên (S) . Tìm giá trị nhỏ nhất của biểu thức P=|2x+2yz+16|.

A. 6. B. 3. C. 24. D. 2.

Lời giải chi tiết:

Mặt cầu (S)có tâmI(2;1;3) , bán kính R = 3. Xét mặt phẳng (P):2x+2yz+16=0

Đường thẳng Δ qua  I và vuông góc với (P) có phương trình x=2+2t,y=1+2t,z=3t

Cho Δ(S)Δ(S) cắt nhau tại 2 điểm: A(0;3;4);B(4;1;2).

Ta có d(A,(P))=2,d(B,(P))=8

Lấy M(x;y;z)(S)d(M;(P))=|2x+2yz+16|3=13P

Ta có: d(A;(P))d(M;(P))d(B;(P))2P386P24.

Vậy Pmin=6 khi x=0,y=3,z=4Chọn A.

Bài tập 9: Trong không gian hệ tọa độ Oxyz, cho ba điểm A(0;1;1),B(3;0;1),C(0;21;19)và mặt cầu (S):(x1)2+(y1)2+(z1)2=1 . M(a;b;c) là điểm thuộc mặt cầu (S)sao cho biểu thức T=3MA2+2MB2+MC2 đạt giá trị nhỏ nhất. Tính tổng a + b + c.

A. a+b+c=0. B. a+b+c=12. C. a+b+c=125. D. a+b+c=145.

Lời giải chi tiết:

Gọi I(x;y;z) là điểm thỏa mãn 3IA+2IB+IC=0

Khi đó: {3(0x1)+2(3x1)+(0x1)=03(1y1)+2(0y1)+(21y1)=03(1z1)+2(1z1)+(19z1)=0I(1;4;3)

Ta có: T=3MA2+2MB2+MC2=3MA2+2MB2+MC2

T=3(MI+IA)2+2(MI+IB)2+(MC+IC)2=6MI2+2MI(3IA+2IB+IC)+3IA2+2IB2+IC2

=6MI2+3IA2+2IB2+IC2nhỏ nhất MI nhỏ nhất.

Mặt cầu (S) có tâm K(1;1;1) I:{x=1y=1+3tz=14t. Cho KI(S)[M1(1;85;15)M2(1;25;95)

Tính M1I=4;M2I=6M1 là điểm thỏa mãn yêu cầu nên a+b+c=145.  Chọn D.

Bài tập 10: Trong không gian hệ tọa độ Oxyz, cho các điểm A(a;0;0),B(0;b;0),C(0;0;c)với a4,b5,c6 và mặt cầu (S) có bán kính bằng 3102 ngoại tiếp tứ diện OABC. Khi tổng OA+OB+OC đạt giá trị nhỏ nhất thì mặt cầu (S) tiếp xúc với mặt phẳng nào trong các mặt phẳng sau đây?

A.2x+2y+2z+322=0. B.2x+2y2z+6+32=0.
C.2x+2y2z+3+22=0. D.2x+2y+2z+722=0.

Lời giải chi tiết:

Bán kính mặt cầu ngoại tiếp tứ diện O.ABCR=a2+b2+c22=3102a2+b2+c2=90.

Ta có P=OA+OB+OC=a+b+c. Đặt m=a40,n=b50,p=c60.

Khi đó a2+b2+c2=(m+4)2+(n+5)2+(p+6)2=m2+n2+p2+8m+10n+12p+77=90.

T=(m+n+p)2+12(m+n+p)=m2+n2+p2+8m+10n+12p+2(mn+np+pm+2m+n).

m2+n2+p2+8m+10n+12p=13m,n,p0nên (m+n+p)2+12(m+n+p)130.

m+n+p1a+b+c16{OA+OB+OC}min=16. Dấu “ = ” xảy ra a=4,b=5,c=7.

Tâm của mặt cầu (S)I(a2;b2;c2)I(2;52;72)d(I;(P)D)=3102.Chọn D.

Luyện bài tập vận dụng tại đây!

TOÁN LỚP 12