Bài học Toán THPT - Phương Trình Đường Thẳng Trong Không Gian

📏 BÀI HỌC TOÁN 12: PHƯƠNG TRÌNH ĐƯỜNG THẲNG TRONG KHÔNG GIAN

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

1. Vectơ chỉ phương của đường thẳng

📌 Định nghĩa Vectơ Chỉ Phương (VCP):

Vectơ \(\vec{u} \neq \vec{0}\) được gọi là vectơ chỉ phương của đường thẳng \(\Delta\) nếu giá của \(\vec{u}\) song song hoặc trùng với đường thẳng \(\Delta\).

💡 Tính chất:
  • Nếu \(\vec{u}\) là VCP của đường thẳng \(\Delta\) thì \(k\vec{u}\) (\(k \neq 0\)) cũng là một VCP của \(\Delta\). Một đường thẳng có vô số vectơ chỉ phương.
  • Nếu đường thẳng \(\Delta\) đi qua hai điểm phân biệt \(A\) và \(B\) thì \(\vec{AB}\) là một vectơ chỉ phương của \(\Delta\).

2. Phương trình tham số của đường thẳng

📌 Công thức Phương Trình Tham Số:

Đường thẳng \(\Delta\) đi qua điểm \(M_0(x_0; y_0; z_0)\) và có vectơ chỉ phương \(\vec{u} = (a; b; c)\) (với \(a^2 + b^2 + c^2 \neq 0\)) có phương trình tham số là:

\[ \begin{cases} x = x_0 + at \\ y = y_0 + bt \\ z = z_0 + ct \end{cases} \quad (t \in \mathbb{R}) \]

Trong đó \(t\) là tham số.

⚠️ Cách tìm điểm thuộc đường thẳng: Với mỗi giá trị cụ thể của tham số \(t\), ta xác định được tọa độ của một điểm \(M(x; y; z)\) thuộc đường thẳng \(\Delta\).

3. Phương trình chính tắc của đường thẳng

📌 Công thức Phương Trình Chính Tắc:

Nếu các tọa độ \(a, b, c\) của vectơ chỉ phương \(\vec{u} = (a; b; c)\) đều khác \(0\) (\(a \cdot b \cdot c \neq 0\)), thì bằng cách khử tham số \(t\) từ phương trình tham số, ta thu được phương trình chính tắc của đường thẳng \(\Delta\):

\[ \frac{x - x_0}{a} = \frac{y - y_0}{b} = \frac{z - z_0}{c} \]
💡 Lưu ý: Khi một trong các thành phần của VCP bằng \(0\) (ví dụ \(a = 0\)), đường thẳng không có phương trình chính tắc mà chỉ biểu diễn được dưới dạng tham số.

4. Vị trí tương đối giữa hai đường thẳng

Cho đường thẳng \(\Delta_1\) đi qua \(M_1\) có VCP \(\vec{u}_1\) và đường thẳng \(\Delta_2\) đi qua \(M_2\) có VCP \(\vec{u}_2\).

📌 1. Hai đường thẳng Song Song (\(\Delta_1 \parallel \Delta_2\)):

\(\vec{u}_1\) và \(\vec{u}_2\) cùng phương (tức \(\vec{u}_1 = k\vec{u}_2\)) và điểm \(M_1 \notin \Delta_2\).

📌 2. Hai đường thẳng Trùng Nhau (\(\Delta_1 \equiv \Delta_2\)):

\(\vec{u}_1\) và \(\vec{u}_2\) cùng phương và điểm \(M_1 \in \Delta_2\).

📌 3. Hai đường thẳng Cắt Nhau:

\(\vec{u}_1\) và \(\vec{u}_2\) không cùng phương, hệ phương trình tạo bởi hai phương trình tham số của \(\Delta_1\) và \(\Delta_2\) có đúng 1 nghiệm \((t; t')\).

📌 4. Hai đường thẳng Chéo Nhau:

\(\vec{u}_1\) và \(\vec{u}_2\) không cùng phương, và hệ phương trình tạo bởi hai phương trình tham số của \(\Delta_1\) và \(\Delta_2\) vô nghiệm.

⚡ Trường hợp Vuông Góc: \(\Delta_1 \perp \Delta_2 \Leftrightarrow \vec{u}_1 \cdot \vec{u}_2 = 0 \Leftrightarrow a_1 a_2 + b_1 b_2 + c_1 c_2 = 0\).

5. Vị trí tương đối giữa đường thẳng và mặt phẳng

Cho đường thẳng \(\Delta\) có VCP \(\vec{u} = (a; b; c)\) và mặt phẳng \((P): Ax + By + Cz + D = 0\) có VPT \(\vec{n} = (A; B; C)\).

📌 Xét theo Tích vô hướng \(\vec{u} \cdot \vec{n}\):
  • \(\Delta \parallel (P)\): \(\vec{u} \cdot \vec{n} = 0\) (tức \(Aa + Bb + Cc = 0\)) và lấy điểm \(M \in \Delta \Rightarrow M \notin (P)\).
  • \(\Delta \subset (P)\): \(\vec{u} \cdot \vec{n} = 0\) và lấy điểm \(M \in \Delta \Rightarrow M \in (P)\).
  • \(\Delta\) cắt \((P)\): \(\vec{u} \cdot \vec{n} \neq 0\) (tức \(Aa + Bb + Cc \neq 0\)). Đặc biệt, nếu \(\vec{u}\) cùng phương với \(\vec{n}\) thì \(\Delta \perp (P)\).
💡 Phương pháp đại số (Thay tọa độ): Thế phương trình tham số của \(\Delta\) vào phương trình của \((P)\) được phương trình ẩn \(t\):
  • Nếu phương trình có 1 nghiệm \(t\) \(\Rightarrow\) \(\Delta\) cắt \((P)\) tại 1 điểm.
  • Nếu phương trình vô nghiệm \(\Rightarrow\) \(\Delta \parallel (P)\).
  • Nếu phương trình nghiệm đúng với mọi \(t\) \(\Rightarrow\) \(\Delta \subset (P)\).

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

Ví dụ 1 Lập phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm

Trong không gian \(Oxyz\), lập phương trình tham số và chính tắc của đường thẳng \(d\) đi qua hai điểm \(A(1; 2; -1)\) và \(B(3; 0; 2)\).

Lời giải:

Vectơ chỉ phương của đường thẳng \(d\) là:

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

Đường thẳng \(d\) đi qua điểm \(A(1; 2; -1)\) và có VCP \(\vec{u} = (2; -2; 3)\) có:

• Phương trình tham số:

\[ \begin{cases} x = 1 + 2t \\ y = 2 - 2t \\ z = -1 + 3t \end{cases} \quad (t \in \mathbb{R}) \]

• Phương trình chính tắc: (do \(2 \cdot (-2) \cdot 3 \neq 0\))

\[ \frac{x - 1}{2} = \frac{y - 2}{-2} = \frac{z + 1}{3} \]
Ví dụ 2 Lập phương trình đường thẳng vuông góc với mặt phẳng

Viết phương trình tham số của đường thẳng \(\Delta\) đi qua điểm \(M(2; -1; 3)\) và vuông góc với mặt phẳng \((P): x - 2y + 3z - 5 = 0\).

Lời giải:

Mặt phẳng \((P)\) có vectơ pháp tuyến \(\vec{n}_P = (1; -2; 3)\).

Vì \(\Delta \perp (P)\) nên đường thẳng \(\Delta\) nhận vectơ pháp tuyến của \((P)\) làm vectơ chỉ phương:

\[ \vec{u}_\Delta = \vec{n}_P = (1; -2; 3) \]

Phương trình tham số của đường thẳng \(\Delta\) đi qua \(M(2; -1; 3)\) là:

\[ \begin{cases} x = 2 + t \\ y = -1 - 2t \\ z = 3 + 3t \end{cases} \quad (t \in \mathbb{R}) \]
Ví dụ 3 Tìm giao điểm của đường thẳng và mặt phẳng

Tìm tọa độ giao điểm \(K\) của đường thẳng \(d: \frac{x - 1}{2} = \frac{y + 1}{1} = \frac{z}{-1}\) và mặt phẳng \((P): 2x + y + z - 5 = 0\).

Lời giải:

Chuyển phương trình đường thẳng \(d\) về dạng tham số:

\[ d: \begin{cases} x = 1 + 2t \\ y = -1 + t \\ z = -t \end{cases} \]

Vì \(K \in d\) nên tọa độ điểm \(K\) có dạng \(K(1 + 2t; -1 + t; -t)\).

Thế tọa độ điểm \(K\) vào phương trình mặt phẳng \((P)\):

\[ 2(1 + 2t) + (-1 + t) + (-t) - 5 = 0 \Leftrightarrow 2 + 4t - 1 + t - t - 5 = 0 \] \[ \Leftrightarrow 4t - 4 = 0 \Leftrightarrow t = 1 \]

Với \(t = 1\), thay lại vào tọa độ \(K\) ta được: \(x = 3, y = 0, z = -1\).

Vậy giao điểm là \(K(3; 0; -1)\).

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

Dạng Phương Trình Công Thức Biểu Diễn Điều Kiện / Ghi Nhớ
Phương trình tham số \(\begin{cases} x = x_0 + at \\ y = y_0 + bt \\ z = z_0 + ct \end{cases}\) Đi qua \(M_0(x_0;y_0;z_0)\), VCP \(\vec{u}=(a;b;c)\)
Phương trình chính tắc \(\frac{x - x_0}{a} = \frac{y - y_0}{b} = \frac{z - z_0}{c}\) Yêu cầu \(a \cdot b \cdot c \neq 0\)
Hai ĐT vuông góc \(a_1 a_2 + b_1 b_2 + c_1 c_2 = 0\) Tích vô hướng 2 VCP bằng \(0\)
ĐT vuông góc với MP \(\vec{u}_\Delta = \vec{n}_P\) VCP của ĐT chính là VPT của MP
ĐT song song với MP \(\vec{u}_\Delta \cdot \vec{n}_P = 0\) VCP của ĐT vuông góc với VPT của MP
📝 Bài tập tự luyện:

Bài 1: Trong không gian \(Oxyz\), cho đường thẳng \(d\) đi qua điểm \(M(1; -1; 2)\) và song song với đường thẳng \(\Delta: \frac{x + 1}{2} = \frac{y - 3}{-1} = \frac{z}{3}\). Viết phương trình tham số của \(d\).

Bài 2: Viết phương trình chính tắc của đường thẳng \(d\) đi qua điểm \(A(2; 1; -3)\) và vuông góc với mặt phẳng \((P): 3x - y + 2z + 1 = 0\).

Bài 3: Xét vị trí tương đối giữa đường thẳng \(d: \begin{cases} x = 1 + 2t \\ y = 3 - t \\ z = 1 - t \end{cases}\) và mặt phẳng \((P): x + 2y + 0z - 7 = 0\).

Bài 4 (Thực tế): Trên phần mềm mô phỏng bay, một máy bay cất cánh từ điểm \(A(1; 2; 0)\) theo đường thẳng đi qua điểm \(B(4; 8; 3)\) (đơn vị độ dài tính bằng km). Một trạm quan sát radar đặt tại gốc tọa độ \(O(0; 0; 0)\) có vùng phủ sóng là mặt cầu tâm \(O\) bán kính \(R = 5\text{ km}\). Máy bay có đi qua vùng phủ sóng của radar hay không?