Phương trình tham số trong không gian

A. TÓM TẮT LÝ THUYẾT:
$1.$ Phương trình tham số và phương trình chính tắc.
Đường thẳng $d$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ có :
- Phương trình tham số của $d:\begin{cases}x=x_0+at \\ y=y_0+bt \\z=z_0+ct\end{cases} (t \in \mathbb{R}) $
- Phương trình chính tắc của $d:\frac{x-x_0}{a}=\frac{y-y_0}{b}=\frac{z-z_0}{c} (abc \ne 0)$
$2.$ Vị trí tương đối của hai đường thẳng.
Đường thẳng $d$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và đường thẳng $d'$ đi qua $M'_0(x'_0;y'_0;z'_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u'}=(a';b';c')$ . Khi đó:
+ $d$ và $d'$ cùng nằm trong một mặt phẳng $\Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right].\overrightarrow{M_0M'_0}=0$ .
+ $d$ và $d'$ cắt nhau $\Leftrightarrow\begin{cases}\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right].\overrightarrow{M_0M'_0}=0\\ \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right] \ne\overrightarrow{0} \end{cases}$.
+ $d \parallel d' \Leftrightarrow\begin{cases}\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right]=\overrightarrow{0}\\ \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{M_0M'_0}} \right] \ne\overrightarrow{0} \end{cases}$.
+ $d \equiv d' \Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right]=\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{M_0M'_0}} \right]=\overrightarrow{0}$
+ $d$ và $d’$ chéo nhau $\Leftrightarrow\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right]\overrightarrow{M_0M'_0}=\overrightarrow{0}$
$3.$ Vị trí tương đối của đường thẳng với mặt phẳng.
Đường thẳng $d$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và mặt phẳng $(P) : Ax+By+Cz+D=0$ có vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}=(A;B;C)$ . Khi đó:
+ $d$ cắt $(P)\Leftrightarrow Aa+Bb+Cc \ne 0$
+ $d \parallel (P)\Leftrightarrow \begin{cases}Aa+Bb+Cc = 0 \\ Ax_0+by_0+Cz_0+D \ne 0 \end{cases}$
+ $d \subset (P)\Leftrightarrow \begin{cases}Aa+Bb+Cc = 0 \\ Ax_0+by_0+Cz_0+D = 0 \end{cases}$
+ $d \perp (P) \Leftrightarrow \overrightarrow{u} \parallel \overrightarrow{n} \Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{n}} \right]=\overrightarrow{0}$
$4.$ Góc giữa hai đường thẳng.
Cho đường thẳng $d$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và đường thẳng $d'$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u'}=(a';b';c')$. Gọi $0^\circ \le\phi \le 90^\circ$ là góc giữa hai đường thẳng đó ta có:
$\cos \phi = \frac{\left| {\overrightarrow{u}.\overrightarrow{u'}} \right|}{|\overrightarrow{u}|.|\overrightarrow{u'}|}=\frac{|aa'+bb'+cc'|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}.\sqrt{a'^2+b'^2+c'^2}}$
$5.$ Góc giữa đường thẳng với mặt phẳng.
Cho đường thẳng $d$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và mặt phẳng $(P)$ có vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}=(A;B;C)$ . Gọi $0^\circ \le \psi \le 90^\circ$ là góc hợp bởi đường thẳng $d$ và mặt phẳng $(P)$ ta có:
$\sin \psi = \frac{\left| {\overrightarrow{u}.\overrightarrow{n}} \right|}{|\overrightarrow{u}|.|\overrightarrow{n}|}=\frac{|Aa+Bb+Cc|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}.\sqrt{A^2+B^2+C^2}}$
$6.$ Khoảng cách từ điểm $M_1(x_1;y_1;z_1)$ đến đường thẳng $\Delta$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}$ :
+ Cách $1:$
- Viết phương trình mặt phẳng $(Q)$ qua $M_1$ và vuông góc với $\Delta$.
- Tìm tọa độ giao điểm $H$ của $\Delta$ và mặt phẳng $(Q)$ .
- d$(M_1, \Delta)=M_1H$ .
+ Cách $2:$ Sử dụng công thức: d$(M_1, \Delta)=\frac{\left| {\left[ {\overrightarrow{M_1M_0},\overrightarrow{u}} \right]} \right|}{|\overrightarrow{u}|}$
$7.$ Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau.
Cho hai đường thẳng chéo nhau $\Delta$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}$ và đường thẳng $\Delta'$ đi qua $M'_0(x'_0;y'_0;z'_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u'}$ .
+ Cách $1:$
- Viết phương trình mặt phẳng $(Q)$ chứa $\Delta$ và song song với $\Delta'$.
- Tính khoảng cách từ $M'_0$ tới mặt phẳng $(Q)$ .
- d$(\Delta,\Delta')=$d$(M'_0,(Q))$ .
+ Cách $2:$ Sử dụng công thức: d$(\Delta,\Delta')=\frac{\left| {\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right].\overrightarrow{M_0M'_0}} \right|}{\left| {\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right]} \right|}$ .

B. CÁC DẠNG TOÁN
Dạng I: Viết phương trình đường thẳng bằng cách xác định vectơ chỉ phương
Ví dụ $1.$ Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng
$d :\frac{x+1}{2}=\frac{y-1}{1}=\frac{z-2}{3}$ và mặt phẳng $P : x - y - z -1 = 0$ . Viết phương trình đường thẳng $\Delta$ đi qua $A(1;1;-2)$ , song song với mặt phẳng $(P)$ và vuông góc với đường thẳng $d .$
Lời giải :
Để tìm một VTCP của $\Delta$ ta phải tìm hai VTPT không cùng phương của nó rồi tìm tích có hướng của hai vectơ này.
Như vậy, $\overrightarrow{u_{\Delta}}=\left[ {\overrightarrow{u_{d}};\overrightarrow{n_{P}}}\right]=(2;5;-3)$
Trong đó $\overrightarrow{u_{d}}=(2;1;3);\overrightarrow{n_{P}}=(1;-1;-1)$
$\Delta$ đi qua $A(1;1;-2)$ và có VTCP $\overrightarrow{u_{\Delta}}=(2;5;-3)$ nên có phương trình
$\Delta : \frac{x-1}{2}=\frac{y-1}{5}=\frac{z+2}{-3}$
Ví dụ $2.$ Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng
$\Delta :\frac{x-1}{2}=\frac{y+1}{1}=\frac{z}{-1}$ và mặt phẳng $P : x - y - z -1 = 0$ . Viết phương trình đường thẳng $d$ đi qua $M(2;1;0)$ , cắt và vuông góc với $\Delta$.
Lời giải :
$ \overrightarrow{u_{\Delta}}=(2;1; -1) $ . Gọi $H = d \cap \Delta$.
Do $H \in \Delta$ nên có thể giả sử $H(1+ 2t;-1+ t;-t)\Rightarrow \overrightarrow{MH} = (2t -1;t - 2;-t)$.
$\overrightarrow{MH} \perp \overrightarrow{u_{\Delta}} \Leftrightarrow 2(2t -1) + ( t- 2) - (-t ) = 0 \Leftrightarrow t=\frac{2}{3} \Leftrightarrow \overrightarrow{u_{d}} = 3\overrightarrow{MH} = (1;-4;-2)$
$\Rightarrow d : \begin{cases}x=2+t \\ y= 1-4t\\z=-2t\end{cases}$
Bài tập tương tự
Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng $(d)$ có phương trình:
$ \begin{cases}x = -t \\ y = -1+ 2t \\ z = 2 + t \end{cases} ( t \in \mathbb{R} )$ và mặt phẳng $(P): 2x - y - 2z - 3 = 0 $.Viết phương trình tham số của đường thẳng $\Delta$ nằm trên $(P)$, cắt và vuông góc với $(d).$
Đáp số :
$\Delta: \begin{cases}x = 1+t \\ y =-3\\ z =1 + t \end{cases} ( t \in \mathbb{R} )$.

Dạng II: Viết phương trình đường thẳng liên quan đến một đường thẳng khác.
Ví dụ $1.$ Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng
$d : \frac{x+1}{3}=\frac{y-2}{-2}=\frac{z-2}{2}$
và mặt phẳng $(P): x + 3y + 2z + 2 = 0$. Lập phương trình đường thẳng $\Delta$ song song với mặt phẳng $(P),$ đi qua $M(2; 2; 4)$ và cắt đường thẳng $(d).$
Lời giải :
Đường thẳng $(d)$ có PT tham số : $\begin{cases}x=-1+3t \\ y=2-2t\\z=2+2t \end{cases}$.
Mặt phẳng $(P)$ có VTPT $\overrightarrow{n} = (1; 3; 2)$
Giả sử $N(-1 + 3t ; 2 - 2t ; 2 + 2t) \in d\Rightarrow \overrightarrow{MN}= (3t - 3;-2t;2t - 2)$
Để $MN \parallel (P) $ thì $\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{n} = 0 \Leftrightarrow 1.(-1+3t)+3.(2-2t)+2.(2+2t)=0\Leftrightarrow t = 7 \Rightarrow \overrightarrow{MN}= (18;-14;12)$
Do $\Delta \parallel MN$ nên chọn $\overrightarrow{u_{\Delta}}= (9;-7;6)$
Phương trình đường thẳng $\Delta : \frac{x-2}{9}=\frac{y-2}{-7}=\frac{z-4}{6}$
Câu hỏi tương tự:
$d : \frac{x}{1}=\frac{y-1}{2}=\frac{z-2}{1}, (P) : x + 3y + 2z + 2 = 0 , M(2;2;4).$ Đáp số :
$\Delta : \frac{x-1}{1}=\frac{y-3}{-1}=\frac{z-3}{1}$

Dạng III: Viết phương trình đường thẳng liên quan đến hai đường thẳng khác.
Ví dụ $1.$ Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, viết phương trình đường thẳng $d$ đi qua điểm $M(-4;-5;3)$ và cắt cả hai đường thẳng: $d_1 : \begin{cases}2x+3y+11=0 \\ y-2z+7=0 \end{cases}$ và $d_2 : \frac{x-2}{2}=\frac{y+1}{3}=\frac{z-1}{-5}$
Lời giải :
Viết lại phương trình các đường thẳng: $d_1:\begin{cases}x=5-3t_1 \\ y=-7+2t_1 \\z=t_1\end{cases} (t_1 \in \mathbb{R}) , d_2:\begin{cases}x=2+2t_2 \\ y=-1+3t_2 \\z=1-5t_2\end{cases} (t_2 \in \mathbb{R}) $
Gọi $A = d \cap d_1,B = d \cap d_2\Rightarrow A(5 - 3t_1;-7 + 2t_1;t_1) , B(2 + 2t_2;-1+ 3t_2;1- 5t_2).$
$\overrightarrow{MA} = (-3t_1 + 9;2t_1 - 2;t_1 - 3), \overrightarrow{MB} = (2t_2 + 6;3t_2 + 4;-5t_2 - 2)$
$\left[ {\overrightarrow{MA},\overrightarrow{MB}} \right] = (-13t_1t_2 - 8t_1 +13t_2 +16;-13t_1t_2 + 39t_2;-13t_1t_2 - 24t_1 + 31t_2 + 48)$
$M, A, B$ thẳng hàng $\Leftrightarrow\overrightarrow{MA},\overrightarrow{MB}$ cùng phương $\Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow{MA},\overrightarrow{MB}} \right] =\overrightarrow{0}$
$\Rightarrow A(-1;-3;2),B(2;-1;1)\Rightarrow \overrightarrow{AB} = (3;2;-1)$
Đường thẳng $d$ qua $M(–4; –5; 3)$ và có VTCP $\overrightarrow{AB} = (3;2;-1)$
$\Rightarrow d:\begin{cases}x=-4-3t \\ y=-5+2t \\z=3-t\end{cases} (t \in \mathbb{R}) $
Câu hỏi tương tự:
$M(3;10;1)$, $d_1 : \frac{x-2}{3}=\frac{y+1}{1}=\frac{z+3}{2}$ và $d_2 : \frac{x-3}{1}=\frac{y-7}{-2}=\frac{z-1}{-1}$
Đáp số : $ d:\begin{cases}x=3+2t \\ y=10-10t \\z=1-2t\end{cases} (t \in \mathbb{R}) $

Dạng IV: Viết phương trình đường thẳng liên quan đến khoảng cách.
Ví dụ $1.$ Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho đường thẳng $(d): \begin{cases}x=2+4t \\ y=3+2t \\z=-3+t\end{cases}$ và mặt phẳng $(P): -x + y + 2z + 5 = 0$ . Viết phương trình đường thẳng $(\Delta)$ nằm trong $(P),$ song song với $(d)$ và cách $(d)$ một khoảng là $\sqrt{14}$ .
Lời giải :
Chọn $A(2;3; -3), B(6;5; -2) \in (d),$ mà thấy rằng $A, B \in (P)$ nên $(d) \subset (P) .$
Gọi $\overrightarrow{u}$ là VTCP của $( d_1) \subset (P)$, qua $A$ và vuông góc với $(d)$ thì $\begin{cases}\overrightarrow{u} \perp \overrightarrow{u_d} \\ \overrightarrow{u} \perp \overrightarrow{u_P} \end{cases}$
nên ta chọn $\overrightarrow{u} = [\overrightarrow{u_d} ,\overrightarrow{u_P} ] = (3;-9;6)$ .
Phương trình của đường thẳng $( d_1) : \begin{cases}x=2+3t \\ y=3-9t \\z=-3+6t\end{cases}$
Lấy $M(2+3t; 3 -9t; -3+6t) \in ( d_1)$ . $(\Delta)$ là đường thẳng qua $M$ và song song với $(d).$
Theo đề : $AM=\sqrt{14}\Leftrightarrow \sqrt{9t^2+81t^2+36t^2}=\sqrt{14}\Leftrightarrow 9t^2=1\Leftrightarrow t=\pm \frac{1}{3}$
Với $t= \frac{1}{3}\Rightarrow M(1;6;-5)\Rightarrow (\Delta) :\frac{x-1}{4}=\frac{y-6}{2}=\frac{z+5}{1}$
Với $t= -\frac{1}{3}\Rightarrow M(3;0;-1)\Rightarrow (\Delta) :\frac{x-3}{4}=\frac{y}{2}=\frac{z+1}{1}$
Ví dụ $2.$ Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz , cho đường thẳng $(d): \begin{cases}x=2+t \\ y=1-t \\z=1-3t\end{cases}$ và mặt phẳng $(P): x + y -z + 1= 0$ . Gọi $I$ là giao điểm của $d$ và $(P).$ Viết phương trình của đường thẳng $\Delta$ nằm trong $(P)$, vuông góc với $d$ sao cho khoảng cách từ $I$ đến $\Delta$ bằng $3 \sqrt 2$.
Lời giải :
$(P)$ có VTPT $ \overrightarrow{n_P}= (1;1;-1)$ và $d$ có VTCP $ \overrightarrow{u}= (1;-1;-3) . $
$I = d \cap (P)\Rightarrow I(x=2+t ; y=1-t ;z=1-3t) \in (P) \Rightarrow I(1;2;4)$
Vì $\Delta \subset (P); \Delta \perp d \Rightarrow \Delta$ có véc tơ chỉ phương $\overrightarrow{u_{\Delta}}=[\overrightarrow{n_P};\overrightarrow{u}]=(-4;2;-2)$
Gọi $H$ là hình chiếu của $I$ trên $\Delta \Rightarrow H \in mp(Q) $ qua $I$ và vuông góc $\Delta$
$\Rightarrow $ Phương trình $(Q): -4(x -1) + 2(y - 2) -2(z - 4) = 0\Leftrightarrow -2x + y - z + 4 = 0$
Gọi $d_1 = (P) \cap (Q)\Rightarrow d_1$ có VTCP $\overrightarrow{u_{d_1}}=[\overrightarrow{n_P};\overrightarrow{n_Q}] = (0;3;3) = 3(0;1;1)$ và $d_1$ qua $I\Rightarrow d_1 : \begin{cases}x=1 \\ y=2+t \\z=4+t\end{cases}$
Giả sử $H \in d_1\Rightarrow H(1;2 + t;4 + t) \Rightarrow\overrightarrow{IH} = (0;t;t)$
Ta có:
$IH=3\sqrt 2 \Leftrightarrow \sqrt{2t^2}=3\sqrt 2\Leftrightarrow \left[ {\begin{matrix} t=3\\t=-3 \end{matrix}} \right.$
Với $t=3\Rightarrow H(1;5;7)\Rightarrow (\Delta) :\frac{x-1}{-2}=\frac{y-5}{1}=\frac{z-7}{-1}$
Với $t= -3\Rightarrow M(1;-1;1)\Rightarrow (\Delta) :\frac{x-1}{-2}=\frac{y+1}{1}=\frac{z-1}{-1}$
Câu hỏi tương tự:
Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho mặt phẳng $(P): 2x + y - 2z + 9 = 0$ và đường thẳng
$d : \frac{x+1}{1}=\frac{y-1}{7}=\frac{z-3}{-1}$. Viết phương trình đường thẳng $\Delta$ vuông góc với $(P)$ và cắt $d$ tại một điểm $M$ cách $(P)$ một khoảng bằng $2.$
Đáp số :
$\Delta : \begin{cases}x=-\frac{19}{11}+2t \\ y=-\frac{45}{11}+t \\z=\frac{41}{11}-2t\end{cases} (t \in \mathbb{R})$
hoặc $ \Delta: \begin{cases}x=-\frac{7}{11}+2t \\ y=\frac{39}{11}+t \\z=\frac{29}{11}-2t\end{cases} (t \in \mathbb{R}) $

Phương trình đường thẳng... Véc-tơ chỉ phương của đường thẳng Khoảng cách giữa 2 đường... Góc giữa hai đường thẳng...