Bài học Toán THPT - Phương Trình Mặt Phẳng

📐 BÀI HỌC TOÁN 12: PHƯƠNG TRÌNH MẶT PHẲNG

Sách giáo khoa Toán 12 - Kết nối tri thức với cuộc sống (Chương V)

1. Vectơ pháp tuyến và Tích có hướng

📌 Định nghĩa Vectơ Pháp Tuyến (VPT):

Vectơ \(\vec{n} \neq \vec{0}\) được gọi là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((P)\) nếu giá của \(\vec{n}\) vuông góc với mặt phẳng \((P)\).

📌 Tích có hướng của hai vectơ:

Nếu mặt phẳng \((P)\) chứa hai vectơ không cùng phương \(\vec{a} = (a_1; a_2; a_3)\) và \(\vec{b} = (b_1; b_2; b_3)\) (hoặc có giá song song với \((P)\)), thì tích có hướng của \(\vec{a}\) và \(\vec{b}\) là một vectơ pháp tuyến của \((P)\):

\[ \vec{n} = [\vec{a}, \vec{b}] = \left( \begin{vmatrix} a_2 & a_3 \\ b_2 & b_3 \end{vmatrix}; \begin{vmatrix} a_3 & a_1 \\ b_3 & b_1 \end{vmatrix}; \begin{vmatrix} a_1 & a_2 \\ b_1 & a_2 \end{vmatrix} \right) \] \[ = (a_2 b_3 - a_3 b_2; \; a_3 b_1 - a_1 b_3; \; a_1 b_2 - a_2 b_1) \]
💡 Chú ý: Nếu \(\vec{n}\) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng \((P)\) thì \(k\vec{n}\) (\(k \neq 0\)) cũng là một vectơ pháp tuyến của \((P)\). Một mặt phẳng có vô số vectơ pháp tuyến.

2. Phương trình tổng quát của mặt phẳng

📌 Định lý về Phương trình tổng quát:

Mặt phẳng \((P)\) đi qua điểm \(M_0(x_0; y_0; z_0)\) và nhận \(\vec{n} = (A; B; C)\) (\(A^2 + B^2 + C^2 \neq 0\)) làm vectơ pháp tuyến có phương trình là:

\[ A(x - x_0) + B(y - y_0) + C(z - z_0) = 0 \]

Khai triển ra ta được phương trình tổng quát dạng:

\[ Ax + By + Cz + D = 0 \]

trong đó \(D = -(Ax_0 + By_0 + Cz_0)\).

⚠️ Lưu ý: Ngược lại, mọi phương trình dạng \(Ax + By + Cz + D = 0\) với \(A^2 + B^2 + C^2 \neq 0\) đều là phương trình của một mặt phẳng nhận \(\vec{n} = (A; B; C)\) làm vectơ pháp tuyến.

3. Phương trình mặt phẳng theo đoạn chắn

📌 Công thức phương trình đoạn chắn:

Nếu mặt phẳng \((P)\) cắt ba trục tọa độ \(Ox, Oy, Oz\) lần lượt tại các điểm \(A(a; 0; 0)\), \(B(0; b; 0)\), \(C(0; 0; c)\) với \(a \cdot b \cdot c \neq 0\), thì phương trình của mặt phẳng \((P)\) là:

\[ \displaystyle\frac{x}{a} + \displaystyle\frac{y}{b} + \displaystyle\frac{z}{c} = 1 \]
💡 Ứng dụng: Phương trình đoạn chắn giúp viết nhanh phương trình mặt phẳng khi biết giao điểm của mặt phẳng đó với 3 trục tọa độ mà không cần tìm tích có hướng.

4. Điều kiện song song và vuông góc giữa hai mặt phẳng

Cho hai mặt phẳng \((P_1): A_1 x + B_1 y + C_1 z + D_1 = 0\) có VPT \(\vec{n_1} = (A_1; B_1; C_1)\)
và \((P_2): A_2 x + B_2 y + C_2 z + D_2 = 0\) có VPT \(\vec{n_2} = (A_2; B_2; C_2)\).

📌 1. Hai mặt phẳng song song:

\((P_1) \parallel (P_2) \Leftrightarrow \vec{n_1}\) cùng phương với \(\vec{n_2}\) và điểm \(M \in (P_1)\) thì \(M \notin (P_2)\).

\[ \displaystyle\frac{A_1}{A_2} = \displaystyle\frac{B_1}{B_2} = \displaystyle\frac{C_1}{C_2} \neq \displaystyle\frac{D_1}{D_2} \quad (\text{với các mẫu số khác 0}) \]
📌 2. Hai mặt phẳng trùng nhau: \[ (P_1) \equiv (P_2) \Leftrightarrow \displaystyle\frac{A_1}{A_2} = \displaystyle\frac{B_1}{B_2} = \displaystyle\frac{C_1}{C_2} = \displaystyle\frac{D_1}{D_2} \]
📌 3. Hai mặt phẳng vuông góc: \[ (P_1) \perp (P_2) \Leftrightarrow \vec{n_1} \cdot \vec{n_2} = 0 \Leftrightarrow A_1 A_2 + B_1 B_2 + C_1 C_2 = 0 \]

5. Khoảng cách từ một điểm đến một mặt phẳng

📌 Công thức tính khoảng cách:

Trong không gian \(Oxyz\), khoảng cách từ điểm \(M_0(x_0; y_0; z_0)\) đến mặt phẳng \((P): Ax + By + Cz + D = 0\) được tính bởi công thức:

\[ d(M_0, (P)) = \displaystyle\frac{|A x_0 + B y_0 + C z_0 + D|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}} \]
💡 Khoảng cách giữa 2 mặt phẳng song song: Cho hai mặt phẳng \((P_1): Ax + By + Cz + D_1 = 0\) và \((P_2): Ax + By + Cz + D_2 = 0\). Khoảng cách giữa \((P_1)\) và \((P_2)\) là: \[ d((P_1), (P_2)) = \displaystyle\frac{|D_1 - D_2|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}} \]

6. Ví dụ minh họa chi tiết (SGK Kết nối tri thức)

Ví dụ 1 Lập phương trình mặt phẳng đi qua 3 điểm không thẳng hàng

Trong không gian \(Oxyz\), lập phương trình mặt phẳng \((ABC)\) đi qua ba điểm \(A(1; 0; -2)\), \(B(2; 1; 1)\), \(C(0; 2; 2)\).

Lời giải:

Ta có các vectơ nằm trên mặt phẳng:

\[ \vec{AB} = (2 - 1; 1 - 0; 1 - (-2)) = (1; 1; 3) \] \[ \vec{AC} = (0 - 1; 2 - 0; 2 - (-2)) = (-1; 2; 4) \]

Mặt phẳng \((ABC)\) có vectơ pháp tuyến \(\vec{n} = [\vec{AB}, \vec{AC}]\):

\[ \vec{n} = (1 \cdot 4 - 3 \cdot 2; \; 3 \cdot (-1) - 1 \cdot 4; \; 1 \cdot 2 - 1 \cdot (-1)) = (-2; -7; 3) \]

Chọn \(\vec{n} = (2; 7; -3)\) làm VPT. Mặt phẳng đi qua \(A(1; 0; -2)\) nên có phương trình:

\[ 2(x - 1) + 7(y - 0) - 3(z + 2) = 0 \Leftrightarrow 2x + 7y - 3z - 8 = 0 \]
Ví dụ 2 Viết phương trình mặt phẳng trung trực của đoạn thẳng

Lập phương trình mặt phẳng trung trực \((P)\) của đoạn thẳng \(AB\) với \(A(2; -1; 4)\) và \(B(0; 3; 2)\).

Lời giải:

Gọi \(I\) là trung điểm của đoạn thẳng \(AB\). Tọa độ của \(I\) là:

\[ I\left(\displaystyle\frac{2+0}{2}; \displaystyle\frac{-1+3}{2}; \displaystyle\frac{4+2}{2}\right) = (1; 1; 3) \]

Mặt phẳng trung trực \((P)\) đi qua \(I(1; 1; 3)\) và nhận \(\vec{AB} = (-2; 4; -2)\) làm vectơ pháp tuyến.

Ta chọn \(\vec{n} = -\displaystyle\frac{1}{2}\vec{AB} = (1; -2; 1)\) làm VPT.

Phương trình mặt phẳng \((P)\) là:

\[ 1(x - 1) - 2(y - 1) + 1(z - 3) = 0 \Leftrightarrow x - 2y + z - 2 = 0 \]
Ví dụ 3 Tính khoảng cách và ứng dụng thực tế

Trong không gian \(Oxyz\), cho điểm \(A(3; -2; 1)\) và mặt phẳng \((P): 2x - y + 2z + 1 = 0\). Tính khoảng cách từ điểm \(A\) đến mặt phẳng \((P)\).

Lời giải:

Áp dụng công thức tính khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng:

\[ d(A, (P)) = \displaystyle\frac{|2(3) - 1(-2) + 2(1) + 1|}{\sqrt{2^2 + (-1)^2 + 2^2}} = \displaystyle\frac{|6 + 2 + 2 + 1|}{\sqrt{4 + 1 + 4}} = \displaystyle\frac{11}{\sqrt{9}} = \displaystyle\frac{11}{3} \]

7. Bảng tổng kết công thức & Bài tập tự luyện

Dạng bài / Khái niệm Công thức / Phương trình Đặc điểm ghi nhớ
PTPT Tổng quát \(Ax + By + Cz + D = 0\) VPT là \(\vec{n} = (A; B; C)\)
Qua \(M_0\) có VPT \(\vec{n}\) \(A(x - x_0) + B(y - y_0) + C(z - z_0) = 0\) Thay tọa độ điểm và VPT
Phương trình đoạn chắn \(\displaystyle\frac{x}{a} + \displaystyle\frac{y}{b} + \displaystyle\frac{z}{c} = 1\) Cắt 3 trục tại \((a;0;0), (0;b;0), (0;0;c)\)
Hai MP vuông góc \(A_1 A_2 + B_1 B_2 + C_1 C_2 = 0\) Tích vô hướng 2 VPT bằng 0
Khoảng cách từ điểm \(d(M_0, (P)) = \displaystyle\frac{|Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}}\) Thay tọa độ điểm vào vế trái MP
📝 Bài tập tự luyện:

Bài 1: Viết phương trình mặt phẳng \((P)\) trong các trường hợp sau:

a) Đi qua điểm \(M(1; -2; 3)\) và song song với mặt phẳng \((Q): 3x -y + 2z - 5 = 0\).

b) Cắt ba trục tọa độ lần lượt tại \(A(-2; 0; 0)\), \(B(0; 4; 0)\), \(C(0; 0; 3)\).

Bài 2: Cho điểm \(A(1; 2; 3)\) và mặt phẳng \((P): x + 2y - 2z + 8 = 0\).

a) Tính khoảng cách từ điểm \(A\) đến mặt phẳng \((P)\).

b) Viết phương trình mặt phẳng \((Q)\) song song với \((P)\) và cách \(A\) một khoảng bằng \(4\).

Bài 3 (Thực tế): Trong một xưởng sản xuất, người ta gắn một hệ trục tọa độ \(Oxyz\) để lập trình robot. Mặt sàn nhà xưởng trùng với mặt phẳng \((Oxy)\). Một cảm biến đặt tại điểm \(S(2; 3; 5)\) cần phát tín hiệu vuông góc tới một tấm kim loại nằm trên mặt phẳng đi qua ba điểm \(P(4; 0; 0)\), \(Q(0; 3; 0)\), \(R(0; 0; 6)\). Hãy tính khoảng cách từ cảm biến \(S\) đến tấm kim loại.