A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT
1. Vectơ pháp tuyến của mp (P): →n≠→0 là vectơ pháp tuyến của (P)⇔→n⊥(P).
2. Cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng (P) : hai vectơ không cùng phương →a,→b là cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng (P)⇔→a,→b có giá cùng song song với (P).
3. Quan hệ giữa vectơ pháp tuyến →n và cặp vectơ chỉ phương →a,→b : →n=[→a,→b]
4. Phương trình mặt phẳng (P) qua M0(x0,y0,z0) có vectơ pháp tuyến →n=(A,B,C) :
(P):A(x−x0)+b(y−y0)+C(z−z0)=0
Phương trình mặt phẳng dạng tổng quát (P):Ax+By+Cz+D=0 thì có vectơ pháp tuyến →n=(A,B,C) .
5. Phương trình mặt phẳng đi qua A(a;0;0),B(0;b;0),C(0;0;c) :
xa+yb+zc=1
6. Phương trình các mặt phẳng tọa độ: (Oyz):x=0;(Oxz):y=0;(Oxy):z=0.
7. Khoảng cách từ M0(x0,y0,z0) đến (P):Ax+By+Cz+D=0
d(M;(P))=|Ax0+By0+Cz0+D|√A2+B2+C2
8. Góc giữa hai mặt phẳng: (P):Ax+By+Cz+D=0 và (Q):A′x+B′y+C′z+D′=0
cos((P),(Q))=|AA′+BB′+CC′|√A2+B2+C2.√A′2+B′2+C′2
Nhận xét : Muốn viết phương trình mặt phẳng thì có hai phương pháp chính
Phương pháp 1. Xác định 1 điểm mà mặt phẳng đi qua và 1 vectơ pháp tuyến.
Phương pháp 2. Xác định 1 vectơ pháp tuyến và tham số D trong phương trình dạng tổng quát Ax+By+Cz+D=0.
B. CÁC DẠNG BÀI TẬP CƠ BẢN
Dạng I. Viết phương trình mặt phẳng bằng cách xác định vectơ pháp tuyến
Ví dụ 1. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai điểm A(2;4;1), B(–1;1;3) và mặt phẳng
(P): x –3y + 2z –5 = 0 . Viết phương trình mặt phẳng (Q) đi qua hai điểm A, B và vuông
góc với mặt phẳng (P).
Lời giải :
mp (Q) đi qua A, B nên \overrightarrow{AB}=(-3,-3,2) là một vec chỉ phương (VTCP) của mp(Q).
Mặt khác mp(Q) vuông góc với mp(P) \Rightarrow vec pháp tuyến (VTPT) \overrightarrow{n_P} của (P) cũng là một VTCP của (Q)
Như vậy, VTPT của (Q) : \overrightarrow{n_Q}=\left[ {\overrightarrow{n_P},\overrightarrow{AB}} \right]=(0;-8;-12)
Hiển nhiên thấy (Q) đi qua A(2;4;1) và \overrightarrow{n_Q}=(0;-8;-12) nên
(Q) : 0(x-2)-8(y-4)-12(z-1)=0
(Q) : 2y + 3z -11 = 0 .
Ví dụ 2. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua hai điểm
A(2;1;3),B(1;-2;1) và song song với đường thẳng d :\begin{cases}x=-1+t \\ y=2t\\z=-3-2t \end{cases} (t \in \mathbb{R}).
Lời giải :
mp (P) đi qua A, B nên \overrightarrow{BA}=(1,3,2) là một VTCP của mp(P).
Mặt khác mp(P) song song với đường thẳng d \Rightarrow VTCP \overrightarrow{u_d} của (d) cũng là một VTCP của (P)
Như vậy, VTPT của (Q) : \overrightarrow{n_Q}=\left[ {\overrightarrow{BA},\overrightarrow{u_d}} \right]=(-10;4;-1)
Hiển nhiên thấy (Q) đi qua B(1;-2;1) và \overrightarrow{n_Q}=(-10;4;-1) nên
(P) : -10(x-1)+4(y+2)-1(z-1)=0
(P) : 10x - 4y + z -19 = 0 .
Dạng II: Viết phương trình mặt phẳng liên quan đến khoảng cách
Ví dụ 3. Trong
không gian với hệ toạ độ Oxyz, viết phương trình mặt phẳng (P) qua
gốc tọa độ O, vuông góc với mặt phẳng (Q): x + y + z = 0 và cách
điểm M(1; 2; –1) một khoảng bằng \sqrt 2.
Lời giải :
Phương trình mp(P) đi qua O(0,0,0) nên có dạng : Ax+By+Cz=0 (A^2+B^2+C^2 \ne 0).
Vì
(P) \perp (Q) nên
\overrightarrow{n_P}.\overrightarrow{n_Q}=0\Leftrightarrow
1.A+1.B+1.C=0\Leftrightarrow C=-A-B (1)
d(M,(P)) = \sqrt 2
\Leftrightarrow \frac{\left| {A +2B -C} \right|}{\sqrt{A^2+ B^2+
C^2}}=\sqrt 2 \Leftrightarrow (A + 2B -C)^2 = 2(A^2 + B^2 +C^2)
(2)
Từ (1) và (2) ta được: (2A + 3B )^2 = 2(2A^2 + 2B^2 +2AB)
\Leftrightarrow 8AB + 5B^2 = 0 \Leftrightarrow \left[
{\begin{matrix}B=0 (3)\\ 8A+5B=0 (4) \end{matrix}} \right.
Từ (3): B = 0, C = –A. Chọn A = 1, C = –1 \Rightarrow (P): x - z = 0
Từ (4): 8A + 5B = 0. Chọn A = 5, B = –8 \Rightarrow C = 3\Rightarrow (P): 5x - 8y + 3z = 0 .
Ví dụ 4. (Đại học Khối D-2010)
Trong không gian toạ độ Oxyz, cho hai mặt phẳng
(P): x + y + z − 3 = 0 và (Q): x − y + z − 1 = 0. Viết phương trình
mặt phẳng (R) vuông góc với (P) và (Q) sao cho khoảng cách từ O
đến (R) bằng \sqrt 2.
Lời giải :
Ta có vectơ pháp tuyến của (P) và (Q) lần lượt là
\overrightarrow{n_P}= (1; 1; 1) và \overrightarrow{n_Q}= (1; − 1; 1), suy ra:
\left[ {\overrightarrow{n_P},\overrightarrow{n_Q}} \right]= (2; 0; −2) là vectơ pháp tuyến của (R).
Mặt phẳng (R) có phương trình dạng x − z + D = 0.
Ta
có d(O,(R)) = \frac{|D|}{\sqrt 2}, suy ra: \frac{|D|}{\sqrt 2}=
2 \Leftrightarrow D = 2\sqrt 2 hoặc D = −2 \sqrt 2 .
Vậy phương trình mặt phẳng (R): x − z + 2\sqrt 2 = 0 hoặc x − z − 2\sqrt 2 = 0.
Dạng III: Viết phương trình mặt phẳng liên quan đến mặt cầu
Ví dụ 5. Trong
không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng d:
\frac{x-3}{2}=\frac{y-3}{2}=\frac{z}{1} và mặt cầu (S): x^2 + y^2 +
z^2 - 2x - 2y - 4z + 2 = 0 . Lập phương trình mặt phẳng (P) song song
với d và trục Ox, đồng thời tiếp xúc với mặt cầu (S).
Lời giải :
(S) có tâm I(1; 1; 2), bán kính R = 2.
d có VTCP \overrightarrow{u} = (2;2;1) .
\begin{cases}(P)
\parallel d \\(P) \parallel Ox \end{cases} \Rightarrow (P) có VTPT
\overrightarrow{n} = \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{i}}
\right] = (0;1;-2). Trong đó \overrightarrow{u}=(1,0,0) là VTCP của
trục Ox.
Suy ra PT của (P) có dạng: y - 2z + D = 0 .
(P)
tiếp xúc với (S) \Leftrightarrow d(I,(P)) = R \Leftrightarrow
\frac{\left| {1-4+D} \right|}{\sqrt{1^2+2^2}}=2\Leftrightarrow
|D-3|=2\sqrt 5\Leftrightarrow \left[ {\begin{matrix} D=3+2\sqrt 5\\
D=3-2\sqrt 5\end{matrix}} \right.
Vậy
(P): y - 2z + 3+2\sqrt 5 = 0 hoặc (P): y - 2z + 3 - 2\sqrt 5 = 0 .
Dạng IV: Viết phương trình mặt phẳng liên quan đến góc
Ví dụ 6. Trong
không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho mặt phẳng (Q) chứa đường thẳng
(d): \frac{x-1}{1}=\frac{y}{-1}=\frac{z}{-2} và tạo với mặt phẳng (P)
: 2x - 2y - z +1 = 0 một góc 60^\circ. Tìm tọa độ giao điểm M của
mặt phẳng (Q) với trục Oz.
Lời giải :
(d) qua điểm A(1;0;0) và có VTCP \overrightarrow{u} = (1;-1;-2)
(P) có VTPT \overrightarrow{n_P} = (2;-2;-1) .
Giao điểm M(0;0;m) cho \overrightarrow{AM} = (-1;0;m)
(Q) có VTPT \overrightarrow{n_Q} =\left[ {\overrightarrow{AM},\overrightarrow{u}} \right]= (m;m - 2;1)
(Q) và (P): 2x - 2y - z +1 = 0 tạo thành góc 60^\circ nên :
|\cos
(\overrightarrow{n_Q},\overrightarrow{n_P})|=\frac{1}{2}\Leftrightarrow
\frac{1}{\sqrt{2m^2-4m+5}}=\frac{1}{2}\Leftrightarrow
2m^2-4m+1=0\Leftrightarrow \left[ {\begin{matrix}m=2 - \sqrt 2\\ m=2 +
\sqrt 2 \end{matrix}} \right.
Kết luận : M(0;0;2 - \sqrt 2) hay M(0;0;2 + \sqrt 2).
C. CÁC BÀI TOÁN QUA CÁC KỲ THI ĐẠI HỌC
Bài 1. (Đại học Khối B-2010)
Trong
không gian toạ độ Oxyz, cho các điểm A(1; 0; 0), B(0; b; 0), C(0; 0;
c), trong đó b, c dương và mặt phẳng (P): y − z + 1 = 0. Xác định
b và c, biết mặt phẳng (ABC) vuông góc với mặt phẳng (P) và
khoảng cách từ điểm O đến mặt phẳng (ABC) bằng \frac{1}{3}.
Hướng dẫn :
Mặt phẳng (ABC) có phương trình: \frac{x}{1}+\frac{y}{b}+\frac{z}{c}=1
Mặt phẳng (ABC) vuông góc với mặt phẳng (P): y − z + 1 = 0, suy ra: \frac{1}{b}-\frac{1}{c}=0 (1)
Ta
có: d(O, (ABC)) = \frac{1}{3} \Leftrightarrow
\frac{1}{\sqrt{\displaystyle{1+\frac{1}{b^2}+\frac{1}{c^2}}}}=
\frac{1}{3}\Leftrightarrow \frac{1}{b^2}+\frac{1}{c^2}=8 (2)
Từ (1) và (2), do b, c > 0 suy ra b = c =\frac{1}{2} .
Bài 2. (Đại học Khối B-2009)
Trong
không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho tứ diện ABCD có các đỉnh
A(1;2;1), B(-2;1;3), C(2;-1;1) và D(0;3;1). Viết phương trình mặt
phẳng (P) đi qua A, B sao cho khoảng cách từ C đến (P) bằng
khoảng cách từ D đến (P).
Hướng dẫn :
Trường hợp 1 : (P) \parallel CD. Ta có : \overrightarrow{AB}= (-3;-1;2),\overrightarrow{CD} =(-2;4;0)
\Rightarrow (P) có VTPT \overrightarrow{n}= ( -8; -4; -14) hay \overrightarrow{n}=(4;2;7)
\Rightarrow (P) :4(x- 1)+ 2(y- 2) +7(z -1)= 0\Leftrightarrow 4x+ 2y +7z -15= 0
Trường hợp 2: (P) qua I(1;1;1) là trung điểm CD
Ta có \overrightarrow{AB}= ( 3; 1;2), \overrightarrow{AI}= (0; 1;0)
\Rightarrow (P) có VTPT \overrightarrow{n}= ( 2;0;3)
(P) :2(x -1) +3(z-1)= 0\Leftrightarrow 2x +3z- 5= 0
D. CÁC BÀI TẬP TỰ GIẢI
1. Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho 2 đường thẳng (d_1) và (d_2 ) có phương trình:
(d_1) : \frac{x-1}{2}=\frac{y+1}{3}=\frac{z-2}{1}, (d_2) : \frac{x-4}{6}=\frac{y-1}{9}=\frac{z-3}{3}.
Lập phương trình mặt phẳng (P) chứa (d_1 ) và (d_2 ).
2. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu (S): x^2 + y^2 + z^2 + 2x - 4y - 4 = 0 và
mặt
phẳng (P): x + z - 3 = 0 . Viết phương trình mặt phẳng (Q) đi qua
điểm M(3;1;-1) vuông góc với mặt phẳng (P) và tiếp xúc với mặt cầu
(S).
3. Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz , cho các điểm
A(1;2;3) , B(0;-1;2) ,C(1;1;1) . Viết phương trình mặt phẳng (P)
đi qua A và gốc tọa độ O sao cho khoảng cách từ B đến (P) bằng
khoảng cách từ C đến (P) .
4. Trong không gian với hệ tọa độ
Oxyz, cho hai mặt phẳng (P) : 5x - 2y + 5z -1 = 0 và (Q) : x - 4y -
8z +12 = 0 . Lập phương trình mặt phẳng (R) đi qua điểm M trùng với
gốc tọa độ O, vuông góc với mặt phẳng (P) và tạo với mặt phẳng
(Q) một góc 45^\circ.