Giải Bài Tập Bài 17: Phương Trình Mặt Cầu - Toán 12 KNTT

BÀI 17: PHƯƠNG TRÌNH MẶT CẦU
(TOÁN 12 - KẾT NỐI TRI THỨC)

Bài 5.25. Trong không gian \(Oxyz\), cho mặt cầu \((S)\) có phương trình: \[\left(x - \frac{1}{2}\right)^2 + (y + 1)^2 + z^2 = 9\] Xác định tâm và bán kính của \((S)\).
Lời giải:

So sánh với phương trình chính tắc của mặt cầu \((x - a)^2 + (y - b)^2 + (z - c)^2 = R^2\), ta có:

\(a = \frac{1}{2}\), \(b = -1\), \(c = 0\) và \(R^2 = 9 \Rightarrow R = 3\).

Vậy mặt cầu \((S)\) có:

  • Tâm: \(I\left(\frac{1}{2}; -1; 0\right)\)
  • Bán kính: \(R = 3\)
Bài 5.26. Trong không gian \(Oxyz\), viết phương trình của mặt cầu \((S)\) có tâm \(I(-2; 0; 5)\) và bán kính \(R = 2\).
Lời giải:

Phương trình mặt cầu \((S)\) tâm \(I(-2; 0; 5)\) và bán kính \(R = 2\) là:

\[[x - (-2)]^2 + (y - 0)^2 + (z - 5)^2 = 2^2\] \[\Leftrightarrow (x + 2)^2 + y^2 + (z - 5)^2 = 4\]
Bài 5.27. Trong không gian \(Oxyz\), viết phương trình của mặt cầu \((S)\) có tâm \(I(0; 3; -1)\) và có bán kính bằng khoảng cách từ \(I\) đến mặt phẳng \((P): 3x + 2y - z = 0\).
Lời giải:

Khoảng cách từ tâm \(I(0; 3; -1)\) đến mặt phẳng \((P): 3x + 2y - z = 0\) là bán kính \(R\) của mặt cầu \((S)\):

\[R = d(I, (P)) = \frac{|3(0) + 2(3) - (-1)|}{\sqrt{3^2 + 2^2 + (-1)^2}} = \frac{|0 + 6 + 1|}{\sqrt{9 + 4 + 1}} = \frac{7}{\sqrt{14}}\]

Do đó \(R^2 = \left(\frac{7}{\sqrt{14}}\right)^2 = \frac{49}{14} = \frac{7}{2}\).

Phương trình mặt cầu \((S)\) cần tìm là:

\[(x - 0)^2 + (y - 3)^2 + [z - (-1)]^2 = \frac{7}{2} \Leftrightarrow x^2 + (y - 3)^2 + (z + 1)^2 = \frac{7}{2}\]
Bài 5.28. Trong không gian \(Oxyz\), cho mặt cầu \((S): x^2 + y^2 + z^2 + 2x - 2y + 8z - 18 = 0\). Xác định tâm, tính bán kính của \((S)\).
Lời giải:

So sánh phương trình mặt cầu với dạng tổng quát \(x^2 + y^2 + z^2 - 2ax - 2by - 2cz + d = 0\), ta có:

  • \(-2a = 2 \Rightarrow a = -1\)
  • \(-2b = -2 \Rightarrow b = 1\)
  • \(-2c = 8 \Rightarrow c = -4\)
  • \(d = -18\)

Vậy mặt cầu \((S)\) có tâm \(I(-1; 1; -4)\).

Bán kính:

\[R = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2 - d} = \sqrt{(-1)^2 + 1^2 + (-4)^2 - (-18)} = \sqrt{1 + 1 + 16 + 18} = \sqrt{36} = 6\]
Bài 5.29. Trong không gian \(Oxyz\), phương trình nào trong các phương trình sau là phương trình mặt cầu? Xác định tâm và tính bán kính của mặt cầu đó.
a) \(x^2 + y^2 + z^2 - 2x - 5z + 30 = 0\);
b) \(x^2 + y^2 + z^2 - 4x + 2y - 2z = 0\);
c) \(x^3 + y^3 + z^3 - 2x + 6y - 9z - 10 = 0\);
d) \(x^2 + y^2 + z^2 + 5 = 0\).
Lời giải:

a) Xét \(x^2 + y^2 + z^2 - 2x - 5z + 30 = 0\):

Ta có \(a = 1\), \(b = 0\), \(c = \frac{5}{2}\), \(d = 30\).

Xét hiệu: \(a^2 + b^2 + c^2 - d = 1^2 + 0^2 + \left(\frac{5}{2}\right)^2 - 30 = 1 + \frac{25}{4} - 30 = -\frac{91}{4} < 0\).

Do đó, phương trình này không phải là phương trình mặt cầu.

b) Xét \(x^2 + y^2 + z^2 - 4x + 2y - 2z = 0\):

Ta có \(a = 2\), \(b = -1\), \(c = 1\), \(d = 0\).

Xét hiệu: \(a^2 + b^2 + c^2 - d = 2^2 + (-1)^2 + 1^2 - 0 = 4 + 1 + 1 = 6 > 0\).

Do đó, phương trình này là phương trình mặt cầu với:

  • Tâm: \(I(2; -1; 1)\)
  • Bán kính: \(R = \sqrt{6}\)

c) Phương trình chứa các số hạng bậc 3 (\(x^3, y^3, z^3\)) nên không phải là phương trình mặt cầu.

d) Phương trình \(x^2 + y^2 + z^2 + 5 = 0 \Leftrightarrow x^2 + y^2 + z^2 = -5 < 0\) (vô lý) nên không phải là phương trình mặt cầu.

Bài 5.30. Trong không gian \(Oxyz\), một thiết bị phát sóng đặt tại vị trí \(A(2; 0; 0)\). Vùng phủ sóng của thiết bị có bán kính bằng 1. Hỏi vị trí \(M(2; 1; 1)\) có thuộc vùng phủ sóng của thiết bị nói trên hay không?
Lời giải:

Vùng phủ sóng của thiết bị đặt tại \(A(2; 0; 0)\) bán kính \(R = 1\) là hình cầu tâm \(A\) bán kính \(R = 1\), bao gồm tất cả các điểm \(P\) trong không gian thỏa mãn \(AP \le 1\).

Tính khoảng cách từ thiết bị phát sóng tại \(A(2; 0; 0)\) đến điểm \(M(2; 1; 1)\):

\[AM = \sqrt{(2 - 2)^2 + (1 - 0)^2 + (1 - 0)^2} = \sqrt{0^2 + 1^2 + 1^2} = \sqrt{2}\]

Vì \(\sqrt{2} \approx 1,414 > 1\), suy ra khoảng cách từ \(A\) đến \(M\) lớn hơn bán kính phủ sóng (\(AM > R\)).

Vậy vị trí \(M(2; 1; 1)\) không thuộc vùng phủ sóng của thiết bị.