Bài toán cực trị liên quan đến góc trong không gian oxyz - Tự Học 365

Bài toán cực trị liên quan đến góc trong không gian oxyz

Bài toán cực trị liên quan đến góc trong không gian oxyz

Bài toán cực trị liên quan đến góc trong không gian oxyz

Phương pháp đại số

  • Gọi véc tơ pháp tuyến hoặc véc tơ chỉ phương của mặt phẳng (hoặc đường thẳng) cần lập là (a;b;c) trong đó a2+b2+c2>0.
  • Thiết lập một phương trình quy ẩn (theo b,c hoặc ngược lại) từ một dữ kiện về mặt phẳng chứa đường, song song hoặc vuông góc. Giả sử phương trình thu gọn ẩn là a=f(b;c).
  • Thiết lập phương trình về góc, thay a=f(b;c). vào ta được một phương trình hai ẩn b,c.

 Chú ý:

  • Góc giữa hai đường thẳng cos(d1;d2)=|cos(u1;u2)|=|u1.u2||u1|.|u2|
  • Góc giữa hai mặt phẳng cos((P)1;(P2))=|cos(n1;n2)|=|n1.n2||n1|.|n2|
  • Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng sin(d;(P))=|cos(nP;ud)|=|nP.ud||nP|.|ud|
  • Ta biết rằng hàm sinφđồng biến khi 0<φ<90, ngược lại hàm cosφ nghịch biến .

Vậy khi hàm xét max, min là hàm sin thì góc lớn ứng với hàm max,, góc nhỏ ứng với hàm nhỏ. Còn khi hàm xét max, min là hàm cosin thì ngược lại, đề bài yêu cầu tìm góc lớn thì hàm phải đạt min, góc nhỏ thì hàm đạt max.

Phương pháp hình học

Bài toán 1: Lập phương trình mặt phẳng (Q) chứa Δ sao cho mặt phẳng (Q) tạo với mặt phẳng (P)cho trước một góc nhỏ nhất (hoặc tạo với đường thẳng d cho trước một góc lớn nhất)

Phương pháp giải:

- TH1: (^(P);(Q))min

Gọi A=Δ(P);d=(P)(Q)với (Q)là  mặt phẳng (IAK) trong hình vẽ.

Lấy IΔA;Icố định, dựng IHd(^(P);(Q))=^IKH=φ.

Do IAIKsinφ=IHIKIHIAφminkhi KAtức là ΔdΔ(P)nQ=[uΔ;ud]

Mặt khác {IAdd(P){Δdd(P)ud=[uΔ;n(P)]

Suy ra (^(P);(Q))nhỏ nhất Δgiao tuyến d của (P)(Q)n(Q)=[uΔ;[uΔ;n(P)]]

-TH2: (^(Q);d)maxn(Q)=[uΔ;[uΔ;ud]]

Tổng kết: {(^(P);(Q))minn(Q)=[uΔ;[uΔ;n(P)]](^(Q);d)maxn(Q)=[uΔ;[uΔ;ud]]
Bài tập 1: Cho d:x+21=y+22=z1;d:x+22=y11=z2;(Q):x+2y+2z3=0

Lập chứa d sao cho

a) Góc giữa (P)(Q) nhỏ nhất.

b) Góc giữa (P)dlớn nhất.

Lời giải chi tiết:

a) Ta có: ud=(1;2;1)n(Q)=(1;2;2). Đường thẳng d đi qua M(1;2;0).

(^(P);(Q))minn(P)=[ud;[ud;n(Q)]]=(3;6;15)=3(1;2;5)

Mặt phẳng (P)đi qua điểm M và có véc tơ pháp tuyến n=(1;2;5)có phương trình là:

(P):x+2y+5z+3=0.

b) Ta có: ud=(2;1;2).

Để (^(P);d)maxn(P)=[ud;[ud;ud]]=(14;2;10)=2(7;1;5)

Mặt phẳng (P)đi qua điểm M và có véc tơ pháp tuyến n=(7;1;5)

Phương trình mặt phẳng (P):7xy+5z9=0.

Bài tập 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyzcho mặt phẳng (P):2xy2z2=0 và đường thẳng Δ:x1=y+12=z21 . Gọi (Q) là mặt phẳng chứa Δvà tạo với (P) một góc nhỏ nhất. Khoảng cách từ gốc tọa độ O đến mặt phẳng (Q)bằng

A.3.    B.23.      C.5.        D. 1.


Lời giải chi tiết:

Ta có: n(P)=(2;1;2);uΔ(1;2;1) và đường thẳng Δ đi qua A(0;1;2).

(^(P);(Q)) nhỏ nhất n(Q)=[uΔ;[uΔ;n(P)]]

Ta có: ud=[uΔ;n(P)]=3(1;0;1)suy ra n(Q)=[ud;uΔ]=2(1;1;1)

Khi đó (Q)đi qua A(0;1;2)n=(1;1;1) (Q):x+yz+3=0d(O;(Q))=3. Chọn A.

Bài tập 3: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyzcho mặt phẳng (P):2x2yz+1=0 và đường thẳng Δ:x11=y1=z2 . Gọi (Q) là mặt phẳng chứa Δvà tạo với (P) một góc nhỏ nhất. Tính cosin góc φgiữa 2 mặt phẳng (P)(Q)khi đó:

A. cosφ=13. B. cosφ=33. C. cosφ=22. D. cosφ=12.

Lời giải chi tiết:

Ta có: uΔ=(1;1;2);n(P)(2;2;1) và đường thẳng Δ đi qua M(1;0;0).

Để (^(P);(Q))minn(Q)=[uΔ;[uΔ;n(P)]]=(6;6;6)=6(1;1;1).

Suy ra cosφ=|2.1+21|4+4+1.3=33Chọn B.

Bài tập 4: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyzcho mặt phẳng (P):x+2yz+3=0 và đường thẳng d:x+12=y+11=z31 . Mặt phẳng (Q) chứa đường thẳng và tạo với mặt phẳng (P) một góc nhỏ nhất. Khoảng cách từ O đến (Q)bằng:

A. 42. B. 2. C. 2. D. 22.

Lời giải chi tiết:

Ta có: ud=(2;1;1);n(P)(1;2;1) và đường thẳng Δ đi qua M(1;1;3).

(^(P);(Q))minn(Q)=[ud;[ud;n(P)]]=(0;9;9)=9(0;1;1).

Phương trình mặt phẳng (P)cần tìm đi qua điểm M(1;1;3).và có véc tơ pháp tuyến n(Q)=(0;1;1)

Suy ra (P):yz+4=0d(O;Q)=42=22. Chọn D.

Bài tập 5: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho đường thẳng d:x11=z+21=z2 . Gọi (P) là mặt phẳng chứa d và tạo với trục Oy một góc lớn nhất. Mặt phẳng (P)đi qua điểm nào trong các điểm sau:

A. A(6;3;0). B. B(2;3;0). C. C(2;1;1). D. D(2;1;1).

Lời giải chi tiết:

Ta có: ud=(1;1;2);uOy(0;1;0) và đường thẳng đi qua M(1;2;0).

Để (^(P);Oy)maxn(P)=[ud;[ud;uOy]]=(1;5;2)=1(1;5;2).

Mặt phẳng (P)đi qua điểm M và có véc tơ pháp tuyến n=(1;5;2)

Phương trình mặt phẳng (P):x+5y2z+9=0.

Do đó (P)đi qua điểm A(6;3;0). Chọn A.

Bài tập 6: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai điểm A(1;2;1);B(1;1;2). Gọi (Q) là phương trình mặt phẳng đi qua 2 điểm A, B sao cho (Q)tạo với mặt phẳng(Oxy) một góc nhỏ nhất. Khoảng cách từ gốc O đến mặt phẳng (Q)bằng:

A. d=735. B. d=7010. C. d=7070. D. d=7035.

Lời giải chi tiết:

Ta có: AB=(2;1;3);n(Oxy)(0;0;1).

Để (^(P);Oxy)minnQ=[AB;[AB;n(Oxy)]]=(6;3;5)=(6;3;5).

Phương trình mặt phẳng (Q)là:  6x+3y+5z7=0d(O;(Q))=762+32+52=7010.Chọn B.

Bài toán 2: Viết phương trình đường thẳng d qua A nằm trong(P)sao cho góc giữa 2 đường thẳng d và dnhỏ nhất (hoặc tạo với mặt phẳng (Q) cho trước một góc lớn nhất)

Phương pháp giải:

- TH1: (^d;d)min

Qua dựng đường thẳng Δd , trên  Δlấy điểm I, hạ IH(P)A,I,H cố định, điểm K thay đổi

(^d;d)=(^Δ;d)=^IAK=α

sinα=IKIAIHIA (Do IKIH) suy ra αminHKhay dqua A và H.

Khi đó dlà hình chiếu vuông góc của Δ trên (P).

Ta có: (^d;d)minud=[n(P);nAIH]=[n(P);[n(P);ud]].

- TH2: (^d;(Q))maxud=[n(P);[n(P);nQ]].

Tổng kết: {(^d;d)minud=[n(P);[n(P);ud]](^d;(Q))maxud=[n(P);[n(P);n(Q)]].

 

Bài tập 1: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm A(1;1;2) và mặt phẳng (P):2xyz+3=0. Lập phương trình đường thẳng đi qua A; song song với (P)đồng thời tạo với đường Δ:x+11=y12=z2 một góc nhỏ nhất.

Lời giải chi tiết:

Gọi (α)là mặt phẳng chứa A và song song với (P)n(α)=(2;1;1).

Khi đó d nằm trong (α) sao cho góc giữa d và Δ nhỏ nhất.

Ta có: (^d;Δ)minud=[n(α);[uΔ;n(α)]]=2(1;5;7)

Phương trình đường thẳng là: d:x11=y+15=z27.

Bài tập 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm A(1;1;2) và hai đường d:x12=y21=z+21;d:x31=y22=z+32. Lập phương trình đường thẳng  Δ đi qua A đồng thời cắt đường d sao cho góc giữa Δvà  dnhỏ nhất?

Lời giải chi tiết:

Gọi (P) là mặt phẳng chứa A và d.

Đường thẳng đi qua điểm A(1;2;2)và có VTCP là ud=(2;1;1).

Khi đó n(P)=[AM;ud]=(1;0;2). Đường thẳng Δ(P).

Ta có: (^Δ;d)minuΔ=[n(P);[n(P);ud]]=(8;10;4)=2(4;5;2).

Phương trình đường thẳng là: d:x+14=y5=z+12.

Bài tập 3: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, lập phương trình đường thẳng d đi qua A(1;0;2) và cắt  Δ:x13=y+12=z22 sao cho góc giữa d và mặt phẳng (P):2xy+2z1=0 lớn  nhất?.

Lời giải chi tiết:

Đường thẳng d nằm trong  mặt phẳng (Q)  chứa A và Δ .

Đường thẳng Δ đi qua điểm M(1;1;2)và có VTCP là uΔ=(3;2;2),AM(0;1;4)

Ta có: n(Q)=[AM;uΔ]=(6;12;3)n(Q)=(2;4;1).

Để (^d;(P))maxud=[n(Q);[n(Q);n(P)]]=(30;3;48)=3(10;1;16).

Khi đó phương trình đường thẳng  d:x110=y1=z+216.

Bài tập 4: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, đường thẳng Δ đi qua A(1;0;1), nằm trong mặt phẳng (P):2x+yz1=0 và tạo với đường thẳng d:x2=y11=z+12 một góc nhỏ nhất. Biết u=(5;b;c) là một véc tơ chỉ phương của đường thẳng Δ . Tìm b + c.

A.b+c=6.  B. b+c=6. C. b+c=3. D. b+c=3.

Lời giải chi tiết:

Ta có: n(P)=(2;1;1);ud=(2;1;2).

Để (^d;Δ)minuΔ=[n(P);[n(P);ud]]=(10;7;13)=2(52;72;132).

Do đó: b=72;c=132b+c=3.Chọn D.

Bài tập 5: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm A(3;1;1), đường thẳng Δ:x1=y22=z2, mặt phẳng (P):xy+z5=0. Gọi là đường thẳng đi điểm qua A nằm trong (P) và tạo với Δ một góc bé nhất là α. Tính sinα.

A. 789. B. 39. C. 69.              D. 759.

Lời giải chi tiết:

Ta có: n(P)=(1;1;1);uΔ=(1;2;2).

Để (^d;Δ)minud=[n(P);[n(P);uΔ]]=(2;7;5)=(2;7;5).

Phương trình đường thẳng là: d:x32=y+17=z15.

Khi đó cosα=|cos(uΔ;ud)|=|2+14+10|3.22+72+52=789.sinα=1cos2α=39.Chọn B.

Bài tập 6: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, gọi là đường thẳng song song với (P):x2y+2z5=0 , đồng thời tạo với mặt phẳng (Oyz)một góc lớn nhất là φ. Tính P=sinφ.

A.P=1.  B. P=223. C. P=13. D. P=12.

Lời giải chi tiết:

Gọi Q(Oyz)n(Q)=(1;0;0);n(P)=(1;2;2).

Ta có φ=(^d;(Q))maxud=[n(P);[n(P);n(Q)]]=(8;2;2)=2(4;1;1).

Suy ra sinφ=|cos(ud;n(Q))|=418=223Chọn B.

Bài tập 7: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt phẳng (P):2xy+z1=0, điểm A(2;3;0) thuộc mặt phẳng (P)và đường thẳng d:x+11=y1=z11. Đường thẳng dqua A nằm trong (P)sao cho góc giữa 2 đường thẳng d và d nhỏ nhất đi qua điểm nào trong các điểm sau:

A. (0;0;1)B. (2;4;1). C. (1;1;0)D. (1;2;1).

Lời giải chi tiết:

Ta có: n(P)=(2;1;1);ud=(1;1;1).

Do đó (^d;d)minud=[n(P);[n(P);ud]]=(2;2;2)=2(1;1;1)d:x21=y31=z1. 

Vậy d đi qua hai điểm (1;2;1). Chọn D.

Ví dụ 8: Cho mặt phẳng (P):xy+z2=0 điểm A(2;1;1) thuộc mặt phẳng (P)và đường thẳng d:x11=y2=z+12. Đường thẳng dqua A nằm trong (P)sao cho góc giữa 2 đường thẳng d và d nhỏ nhất cắt mặt phẳng (Oyz)tại điểm E. Tính  P=OE.

A. P=14.                        B. P=26.                  C. P=10.                        D. P=14.

Lời giải:

Ta có: n(P)=(1;1;1);ud=(1;2;2)[n(P);ud]=(4;3;1)

Ta có: (^d;d)minud=[n(P);[n(P);ud]]=(2;5;7)d:x22=y15=z17.

Vậy d cắt mặt phẳng x=0 tại điểm E(0;6;8)OE=10. Chọn C...

Luyện bài tập vận dụng tại đây!

TOÁN LỚP 12