Tài liệu Tài liệu hình học không gian cổ điển (nguyễn tất thu) phần 1

HÌNH HỌC KHÔNG GIAN CHƯƠNG 2. HÌNH HỌC KHÔNG GIAN TỔNG HỢP A. TÓM TẮT LÍ THUYẾT. I. Quan hệ song song 1. Vị trí tương đối giữa hai đường thẳng trong không gian: Trong không gian cho hai đường thẳng  và  ' . * Nếu  và  ' cùng thuộc một mặt phẳng khi đó giữa  và  ' có ba vị trí tương đối là song song, trùng nhau, cắt nhau. * Nếu không có mặt phẳng nào đi qua  và  ' thì ta gọi hai đường thẳng  và  ' chéo nhau. 2. Các tính chất: Định lí 1: Nếu ba mặt phẳng cắt nhau theo ba giao tuyến phân biệt thì ba giao tuyến đó hoặc đôi một song song hoặc chúng đồng quy. Định lí 2: Nếu hai mp phân biệt chứa hai đường thẳng song song với nhau thì giao tuyến của chúng nếu có sẽ song song với hai đường thẳng đó. 3. Đường thẳng song song với mặt phẳng a. Định nghĩa: Đường thẳng a / /  P  khi chúng không có điểm chung b. Các tính chất Định lí 1: Nếu đường thẳng a không nằm trong (P) và a song song với một đường thẳng nằm trong (P) thì a song song với (P) . Chú ý: Từ định lí này ta rút ra được phương pháp để chứng minh đường thẳng a song song với mp  P  ta chỉ cần chứng minh a song song với một đường thẳng nằm trong mp  P  . Định lí 2: Nếu đường thẳng a / /  P  thì mọi mp đi qua a sẽ cắt (P) theo một giao tuyến song song với a . Hq: Nếu hai mặt phẳng cùng song song với một đường thẳng thì giao tuyến của chúng nếu có sẽ song song với đường thẳng đó. Chú ý: Định lí 2 và hệ quả giúp chúng ta trong việc tìm giao tuyến của hai mặt phẳng mà trong đó có ít nhất một mp song song với một đường thẳng cho trước. Định lí 3: Cho hai đường thẳng chéo nhau. Khi đó luôn tồn tại duy nhất một mp chứa đường thẳng này và song song với đường thẳng kia. Định lí 4: (Định lí Talet trong không gian) Điều kiện cần và đủ để các đường thẳng AA1 , BB1 và CC1 cùng song song với một mặt phẳng là BA B1A1 , trong đó bộ ba điểm  A, B, C  và  A1 , B1 , C1  lần lượt thuộc hai đường  BC B1C1 thẳng chéo nhau a và b . 4. Hai mặt phẳng song song a. Định nghĩa: Hai mặt phẳng gọi là song song nếu chúng không có điểm chung b. Phương pháp chứng minh hai mặt phẳng song song Định lí 1: Nếu mp(P) chứa hai đường thẳng cắt nhau song song với mp(Q) thì (P) / /(Q) c. Các tính chất: Tính chất 1: Qua một điểm nằm ngoài mặt phẳng , có duy nhất một mặt phẳng song song với mặt phẳng đó. Hq 1: Nếu đường thẳng a / /(P) thì tồn tại duy nhất một mặt phẳng (Q) đi qua a và song song với mp(P) . Hq 2: hai mặt phẳng phân biệt cùng song song với mặt phẳng thứ ba thì song song với nhau. GV: Nguyễn Tất Thu 1 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN Tính chất 2: Nếu hai mặt phẳng (P) và (Q) song song thì mọi mặt phẳng (R) đã c ắt (P) thì phải cắt (Q) và các giao tuyến của chúng song song với nhau. II. Quan hệ vuông góc 1. Véc tơ trong không gian * Véc tơ trong không gian và các phép toán được định nghĩa hoàn toàn tương tự nh trong mặt phẳng. * Ba véc tơ gọi là đồng phẳng nếu giá của chúng cùng song song với một mặt phẳng.    * Cho a, b,c .       Khi đó a, b,c đồng phẳng khi và chỉ khi m, n   : a  mb  nc .    Ba vectơ a, b,c không đồng phẳng.     Khi đó: ma  nb  pc  0  m  n  p  0 .     * Cho ba véc tơ a, b,c không đồng phẳng. Khi đó với mọi véc tơ d trong không gian, ta luôn có sự     phân tích: d  ma  nb  pc . 2. Hai đường thẳng vuông góc a) Góc giữa hai đường thẳng cắt nhau: Cho hai đường thẳng a và b cắt nhau, khi đó chúng sẽ chia mặt phẳng thành bốn miền góc. Góc  nhọn trong bốn góc đó gọi là góc giữa hai đường thẳng a và b. Kí hiệu: (a, b) . b) Góc giữa hai đường thẳng chéo nhau. Cho hai đường thẳng a và b chéo nhau. Từ một điểm O ta dựng các đường thẳng a ' và b' lần lượt song song với a và b . Khi đó góc giữa hai đường thẳng a ' và b' gọi là góc giữa hai đường thẳng a và b .       b)  cos u, v . Chú ý: Nếu hai đường thẳng a, b lần lượt có u, v là véc tơ chỉ phương thì cos(a,   c)Hai đường thẳng vuông góc * Hai đường thẳng a và b được gọi là vuông góc với nhau nếu góc giữa chúng bằng 900 . Kí hiệu: ab       * Nếu u, v là VTCP của hai đường thẳng a, b thì a  b  u  v  u.v  0 . 3. Đường thẳng vuông góc với mặt phẳng Định nghĩa: Đường thẳng a gọi là vuông góc với mặt phẳng (P) nếu a vuông với mọi đường thẳng nằm trong mặt phẳng (P). Tính chất:  Nếu đường thẳng d vuông góc với hai đường thẳng a và b cắt nhau nằm trong mặt phẳng (P) thì d vuông góc với (P).  Có duy nhất một mặt phẳng (P) đi qua một điểm O và vuông góc với một đường thẳng a cho trước.  Có duy nhất một đường thẳng d đi qua một điểm O và vuông góc với một mặt phẳng (P) cho trước.  Cho đường thẳng a không vuông góc với mặt phẳng (P) và đường thẳng b nằm trong mặt phẳng (P). Điều kiện cần và đủ để a vuông góc với b là b vuông góc với hình chiếu a’ của a lên (P) (ĐỊnh lí ba đường vuông góc). Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng Cho đường thẳng a và mặt phẳng (P) GV: Nguyễn Tất Thu 2 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN  Nếu a  (P) thì ta nói góc giữa a và (P) bằng 900  Nếu a không vuông góc với (P) thì góc giữa a và hình chiếu a’ của a lên (P) gọi là góc giữa a và (P). 4. Hai mặt phẳng vuông góc a) Góc giữa hai mặt phẳng: * Định nghĩa: Góc giữa hai mặt phẳng là góc giữa hai đường thẳng lần lượt vuông góc với hai mặt phẳng đó. * Cách xác định góc giữa hai mặt phẳng. Cho hai mặt phẳng (P) và (Q) cắt nhau theo giao tuyến  . Dựng một mặt phẳng (R) vuông góc với  , cắt hai mặt phẳng (P), (Q) lần lượt theo hai giao tuyến a,b. Khi đó góc giữa a và b chính là góc giữa hai mặt phẳng (P) và (Q). * Công thức hình chiếu. Gọi S là diện tích của đa giác H trong mặt phẳng (P) và S' là diện tích hình chiếu H’ của H lên mặt phẳng (P’) thì S'  S.cos  , trong đó  là góc giữa hai mặt phẳng (P) và (P’). b) Hai mặt phẳng vuông góc * Định nghĩa: Hai mặt phẳng gọi là vuông góc nếu góc giữa chúng bằng 900 . * Tính chất  Nếu một mặt phẳng chứa một đường thẳng vuông góc với một mặt phẳng khác thì hai mặt phẳng đó vuông góc với nhau.  Nếu hai mặt phẳng (P) và (Q) vuông góc với nhau thì bất cứ đường thẳng a nào nằm trong (P), vuông góc với giao tuyến của (P) và (Q) đều vuông góc với mặt phẳng (Q).  Nếu hai mặt phẳng cắt nhàu và cùng vuông góc với mặt phẳng thứ ba thì giao tuyến của chúng vuông góc với mặt phẳng thứ ba. III. Khỏang cách 1. Khoảng cách từ một điểm đến đường thẳng Cho đường thẳng  và điểm M . Gọi H là hình chiếu của M lên  . Khi đó độ dài đoạn MH là khoảng cách từ M đến  . Để tính khoảng cách này ta gắn MH vào một tam giác nào đó rồi sử dụng những kết quả của hình học phẳng để tính MH . 2. Khoảng cách từ một điểm đến mặt phẳng: Cho mp(P) và điểm M nằm ngoài mp(P). Gọi H là hình chiếu của M lên mp(P), khi đó MH là khoảng cách từ M đến (P). 3. Khoảng cách giữa đường thẳng và mặt phẳng mang yếu tố song song a) Khoảng cách từ một đường thẳng đến một mp song song bằng khoảng cách từ một điểm bất kì trên đường thẳng này đến mp. b) Khoảng cách giữa hai đường thẳng song song bằng khoảng cách từ một điểm thuộc đường thẳng này đến đường thẳng kia c) Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song bằng khoảng cách từ một điểm thuộc mp này đến mp kia. 4. Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau a) Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau chính là độ dài đường vuông góc chung của hai đường thẳng đó. Do đó để tìm khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau ta cần tìm đoạn vuông góc chung của hai đường thẳng đó. GV: Nguyễn Tất Thu 3 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN b) Ngoài ra nếu có một mp chứa đường thẳng này song song với đường thẳng kia thì khoảng cách giữa hai đường thẳng đó chính bằng khoảng cách từ đường thẳng song song đó đến mp nói trên. IV. Thể tích khối đa diện 1. Công thức tính thể tích 1  Thể tích của khối chóp có diện tích đáy B và chiều cao h là: V  Bh . 3  Thể tích của khối lăng trụ có diện tích đáy B và chiều cao h là: V  Bh .  Thể tích của khối hộp có diện tích đáy B và chiều cao h là: V  Bh .  Thể tích khối hộp chữ nhật : V  abc .  Thể tích khối lập phương : V  a 3 .  Tỉ số thể tích: Nếu A', B',C' thuộc các cạnh SA,SB,SC của hình chóp S.ABC thì : VS.A' B' C' SA'.SB'.SC' .  VS.ABC SA.SA.SC V. Mặt tròn xoay – Mặt cầu 1. Mặt nón – hình nón – khối nón a. Trong mặt phẳng (P) cho hai đường thẳng  và l cắt nhau tại O và tạo với nhau một góc  . Khi cho mặt phẳng (P) quay quanh đường thẳng  , hình tròn xoay sinh ra bởi đường thẳng l gọi là mặt nón tròn xoay hay còn gọi là mặt nón * Đường thẳng  gọi là trục của mặt nón . * Đường thẳng l gọi là đường sinh của mặt nón. * Giao điểm O của  và l gọi đỉnh của mặt nón. * Gọi  là góc giữa đường thẳng  và l khi đó 2 gọi là góc ở đỉnh. b. Hình nón là hình tròn xoay sinh bởi tam giác vuông OAB quay quanh trục là cạnh góc vuông OA * OB  l là đường sinh hình nón . * AB  R gọi là bán kính hình nón. * OA  h là chiều cao hình nón . c. Hình nón với phần không gian bên trong gọi là khối nón. d. Công thức tính diện tích và thể tích. * Diện tích xung quanh hình nón S xq  Rl * Diện tích toàn phần của hình nón S tp  S xq  Sd  R(l  R) . 1 2 R h. 3 2. Mặt trụ - hình trụ - khối trụ a. Trong mặt phẳng (P) cho hai đường thẳng l và  song song với nhau và cách nhau một khoảng R . Khi quay (P) quanh  thì đư ờng thẳng l sinh ra một mặt tròn xoay được gọi mà mặt trụ tròn * Thể tích khối nón V  xoay hay gọi tắt là mặt trụ. * Đường thẳng ∆ là tr ục của mặt trụ. * Đường thẳng l là gọi là đường sinh của mặt trụ. * Khoảng cách giữa hai đường sinh l và trục ∆ gọi là bán kính của mặt trụ. b. Phần mặt trụ nằm giữa hai mặt phẳng song song phân biệt và vuông góc với trục mặt trụ cùng với hai hình tròn thiết diện được gọi là hình trụ. * Hai hình tròn (O; R),(O'; R) là hai đáy của hình trụ . GV: Nguyễn Tất Thu 4 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN * Đoạn thẳng OO’ là trục của hình trụ , và cũng là chi ều cao của hình trụ. * Bán kính R của mặt trụ là bán kính hình trụ. c. Hình trụ với phần không gian bên trong gọi là khối trụ . d. Công thức tính diện tích và thể tích hình trụ . Một hình trụ có bán kính đáy là R và chiều cao h. * Diện tích mặt xung quanh của hình trụ S xq  2 Rh. * Diện tích toàn phần của hình trụ: S tp  S sq  2.Sd  2 R(R  h) . * Thể tích khối trụ : V  R 2 h . 3. Mặt cầu a. Khái niệm mặt cầu.  Mặt cầu tâm O bán kính R ( S(O,R) ) là tập hợp các điểm M trong không gian thỏa mãn S(O,R)  {M|OM  R} .  Nếu AB là đường kính mặt cầu S(O,R) thì với mọi điểm M thuộc mặt cầu ( trừ A và B ) thì   900 . AMB   900 thì điểm M thuộc mặt cầu  Ngược lại với mọi điểm M nằm trong không gian thỏa mãn AMB đường kính AB . b. Vị trí tương đối của một điểm với mặt cầu. Cho mặt cầu S(O,R) và một điểm A bất kì trong không gian.  Nếu OA  R thì A ở ngoài mặt cầu  Nếu OA  R thì A ở trên mặt cầu  Nếu OA  R thì A ở trong mặt cầu c. Vị trí tương đối của một hình phẳng với mặt cầu. Cho mặt cầu S(O,R) và một mặt phẳng (P) bất kì trong không gian.Gọi H là hình chiếu của O lên (P) .  Nếu OH  R thì (P) không cắt mặt cầu  Nếu OH  R thì (P) và (S) có một điểm chúng duy nhất là H . Khi đó ta nói: (P) tiếp xúc với mặt cầu và (P) gọi là mặt phẳng tiếp diện, H gọi là tiếp điểm.  Nếu OH  R thì (P) cắt mặt cầu theo một đường tròn (C) có tâm H bán kính r  R 2  OH 2 . Nếu O nằm trên (P) thì (C) gọi là đường tròn lớn và có bán kính R . d. Vị trí tương đối của một đường thẳng với mặt cầu Cho mặt cầu S(O,R) và một đường d bất kì trong không gian. Gọi H là hình chiếu của O lên d .  Nếu OH  R thì d và mặt cầu không có điểm chung.  Nếu OH  R thì d và mặt cầu (S) có một điểm chung duy nhất là H . Khi đó ta nói d tiếp xúc với mặt cầu và d gọi là tiếp tuyến cảu mặt cầu, H gọi là tiếp điểm.  Nếu HO  R thì d và mặt cầu có đúng hai điểm chung. Khi đó ta nói d cắt mặt cầu tại hai điểm phân biệt . e. Mặt cầu ngoại tiếp và hình cầu nội tiếp hình đa diện.  Mặt cầu ngoại tiếp hình đa diện là mặt cầu đi qua tất cả các đỉnh của hình đa diện.  Mặt cầu nội tiếp hình đa diện là mặt cầu tiếp xúc với tất cả các mặt của hình đa diện. f. Diện tích mặt cầu và thể tích khối cầu. Diện tích hình cầu bán kính R : S  4R 2 . GV: Nguyễn Tất Thu 5 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN 4 3 R . 3 § 1. CÁC BÀI TOÁN VỀ GIAO ĐIỂM, GIAO TUYẾN Thể tích khối cầu bán kính R : V  1. Giao tuyến của hai mặt phẳng Để xác định giao tuyến của hai mặt phẳng, ta có các cách sau: Cách 1: Tìm hai đi ểm chung của chúng. Đường thẳng đi qua hai điểm chung đó là giao tuyến. Cách 2: Tìm một điểm chung và phương của giao tuyến ( ) / /a  ( )  ()  b / /a  Nếu   / /a  a / /( )  Nếu   ( )  ()  b / /a a  () ( ) / /()  Nếu   ()  ()  b / /a ( )  ()  a a  ( )  Nếu   ( )  ()  b  a . a  () Lưu ý: Điểm chung của hai mặt phẳng    và    thường được tìm như sau : Tìm hai đường thẳng a, b lần lượt thuộc    và    , đồng thời chúng cùng nằm trong mặt phẳng  nào đó; giao điểm M  a  b chính là điểm chung của    và    . 2. Giao điểm của đương thẳng với mặt phẳng Để tìm giao điểm của đường thẳng a với ( ) ta thực hiện các bước sau  Tìm một mp () chứa a sao cho giao tuyến b  ( )  () dễ tìm  Tìm giao điểm của A  a  b Khi đó A  a  ( ) . 3. Thiết diện của hình chóp cắt bởi một mặt phẳng. Để tìm thiết diện của hình chóp cắt bởi một mặt phẳng, ta đi tìm giao tuyến của mặt phẳng đó với các mặt của hình chóp. Các đoạn giao tuyến tạo nên một đa giác. Đa giác đó chính là thiết diện cần tìm. Ví dụ 2.1.1. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình chữ nhật, AB  a, AD  a 3 . Cạnh bên SA vuông góc với đáy và SA  2a . M là một điểm nằm trong tam giác SCD , N là trung điểm SC. 1. Tìm giao tuyến của hai mặt phẳng (ABCD) với (BMN) biết MN không song song với CD 2. Tìm giao điểm của đường thẳng BM với mặt phẳng (SAC) . 3. Tính diện tích thiết diện của hình chóp cắt bởi mặt phẳng    đi qua A và vuông góc với SC . Lời giải. GV: Nguyễn Tất Thu 6 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN S S R N M P I K D A B C B D A E F Q C 1. Hai mặt phẳng (ABCD) và (BMN) có B là điểm chung thứ nhất Trong mặt phẳng (ABCD) hai đường thẳng CD và MN cắt nhau tại I Ta có I là điểm chúng thứ hai của hai mặt phẳng (ABCD) và (BMN) . Vậy BI là giao tuyến của hai mặt phẳng (ABCD) và (BMN) . 2. Trong mặt phẳng (SCD) hai đường thẳng SM và CD cắt nhau tại E Trong mặt phẳng (ABCD) hai đường thẳng AC và BE cắt nhau tại F. Khi đó ta có SF là giao tuyến của hai mặt phẳng (SBE) với (SAC). Trong mặt phẳng (SBE) hai đường thẳng SF và BM cắt nhau tại K. Ta có: K là giao điểm của BM với (SAC). 3. Giả sử () cắt các cạnh SB, SC, SD lần lượt tại P, R, Q . Suy ra thiết diện của hình chóp cắt bởi mặt phẳng () là tứ giác APRQ . Vì ()  SC  SC  AP  BC  AB  BC  (SAB)  BC  AP Mặt khác:   BC  SA Nên ta suy ra AP  (SBC)  AP  SB . Tương tự ta cũng có BQ  SD . Dễ thấy các tam giác APR và AQR là các tam giác vuông tại P và Q. 1 Do đó S APRQ  S APR  S AQR   AP.PR  AQ.QR  2 Áp dụng công thức đường cao trong tam giác vuông ta có: 1 1 1 1 1 5 2a       AP  2 2 2 2 2 2 5 AP SA AB 4a a 4a 1 AQ 1 2 AR 2   1 AD 1 2 AC 2   1 SA 1 2 SA 2   1 3a 1 2 4a 2   Suy ra: PR  AR 2  AP 2  GV: Nguyễn Tất Thu 1 4a 1 2 4a 2  7 12a 2  AQ  2a 21 7  AR  a 2 a 30 a 14 . , QR  AR 2  AQ 2  5 7 7 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN Vậy diện tích thiết diện cần tính là: S APRQ  12a 2 6 (đvdt). 35 Ví dụ 2.1.2. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình bình hành. Gọi M, N, P lần lượt là trung điểm các cạnh SA, BC,CD . Tìm thiết diện của hình chóp cắt bởi mặt phẳng (MNP) . Lời giải. Gọi I, J lần lượt là giao điểm của NP với AB và AD . Khi đó (MNP)  (ABCD)  NP, (MNP)  (SAD)  MJ, (MNP)  (SAB)  MI Đường thẳng MJ  SD  E , MI  SB  F Khi đó: (MPN)  (SBC)  NF, (MNP)  (SCD)  EP . Vậy thiết diện của hình chóp cắt bởi mặt phẳng (MNP) là ngũ giác MEPNF . S M E F A D J P B N C I Ví dụ 2.1.3. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang, đáy lớn AB . Gọi M, N lần lượt là trung điểm SB,SC . 1. Tìm giao tuyến của hai mặt phẳng (SAB) và (SCD) 2. Tìm thiết diện của hình chóp cắt ởi mặt phẳng (AMN) . Lời giải. GV: Nguyễn Tất Thu 8 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN S x M N I A B P O D C 1. Hai mặt phẳng (SAB) và (SCD) có S là điểm chung và AB / /CD Do đó giao tuyến của hai mặt phẳng (SAB) và (SCD) là đường thẳng Sx song song với AB . 2. Gọi O là giao điểm của hai đường chéo AC và BD . Suy ra SO là giao tuyến của hai mặt phẳng (SAC) và (SBD) . Trong mặt phẳng (SAC) hai đường thẳng SO và AN cắt nhau tại I . Trong mặt phẳng (SBD) hai đường thẳng MI và SD cắt nhau tại P . Khi đó : (AMN)  (SAB)  AM, (AMN)  (SBC)  MN, (AMN)  (SCD)  NP, (AMN)  (SDA)  PA Vậy thiết diện của hình chóp cắt bởi mặt phẳng (AMN) là tứ giác AMNP . Ví dụ 2.1.4. Cho hình chóp S.ABCD , có đáy là hình vuông c ạnh a và tam giác SAB đều. Một điểm M thuộc cạnh BC sao cho BM  x  0  x  a  ,    mặt phẳng đi qua M song song với SA và SB . 1) Xác định thiết diện của hình chóp cắt bởi    2) Tính diện tích thiết diện theo a và x . Lời giải. M       SBC         SBC   MN / /SB, N  SC . 1) Ta có    / /SB  SB   SBC  N   SAC         SAC       NI / /SA,I  AC Tương tự    / /SA  SA   SAC  Trong  ABCD  gọi Q  MI  AD , thì ta có Q   SAD         SAD       QP / /SA,P  SD .    / /SA  SA   SAD  Thiết diện là tứ giác MNPQ . GV: Nguyễn Tất Thu S N P A B Q I M C D 9 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN CM CN =  1 CB CS CI CN CI Lại có IN / /SA     IM / /AB mà  2  . Từ 1 và  2  suy ra CM CA CS CB CA AB / /CD  IM / /CD . b) Do MN / /SB  Ba mặt phẳng    ,  ABCD  và  SCD  đôi một cắt nhau theo ba giao tuyến là MQ,CD, NP với MQ / /CD  MQ / /NP . Vậy MNPQ là hình thang. MN CM DQ PQ Ta có , mà SA  SB  a  MN  PQ . Do đó MNPQ là hình thang cân.    SB CB DA SA MN CM a  x Từ    MN  a  x , N P x SA CB a PN SN BM IM CM a-x    PN  BM  x ,   IM  CM  a  x a-x DC SC BC AB CB Gọi J là trung điểm của IM thì NJ  MN 2  MJ 2  Vậy S MNPQ  a  x  2 Q 2 ax 3  a  x    2  2   x I J M  1 1 3 NJ  MQ  NP   .  a  x  a  x   43 a 2  x2 . 2 2 2 Ví dụ 2.1.5. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình bình hành tâm O có AC  a, BD  b . Tam giác SBD là tam giác đều. Một mặt phẳng    di động song song với mặt phẳng  SBD  và đi 0  x  a  . 1) Xác định thiết diện của hình chóp cắt bởi    . qua điểm I trên đoạn AC và AI  x 2) Tính diện tích thiết diện theo a, b và x . Lời giải. 1) Trường hợp 1: Xét I thuộc đoạn OA S I       ABD         ABD   MN / /BD,I  MN . Ta có    / /  SBD    ABD    SBD   BD P K N       SAD     SAD       NP / /SD,P  SN . Tương tự    / /  SBD   A  SAD    SBD   SD B M I Thiết diện là tam giác MNP . N H O    / /  SBD  I  L Do  SAB    SBD   SB  MP / /SB . Hai tam giác MNP và BDS có D C   SAB       MP các cặp cạnh tương ứng song song nên chúng đồng dạng, mà BDS đều nên tam giác MNP đều. Trường hợp 2: Điểm I thuộc đoạn OC , tương tự trường hợp 1 ta được thiết diện là tam giác đều HKL như  hv  . GV: Nguyễn Tất Thu 10 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN b) Trường hợp 1: I thuộc đoạn OA Ta có S BCD BD2 3 b 2 3 S MNP  MN  ,     S BCD  BD  4 4 2 2 MN AI 2x  2x  b2 x2 3 Do MN / /BD  .    S MNP    S BCD  BD AO a  a  a2 Trường hợp 2: I thuộc đoạn OC , tính tương tự ta có 2 2  a  x  2 b2 3 b2  a  x   HL  SMNP   ]   S BCD  [ a 4  BD  a2  b2 x2 3 ; I  (OA)   a2 Vậy S td   . 2 2  b a  x 3 ; I   OC   a2  2 3 . Ví dụ 2.1.6. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A, B với AB  BC  a, AD  2a ; SA   ABCD  và SA  2a . Gọi M là một điểm trên cạnh AB ,    là mặt phẳng đi qua M và vuông góc với AB .Đặt AM  x  0  x  a  . 1) Xác định thiết diện của hình chóp khi cắt bởi    . 2) Tính diện tích thiết diện theo a và x . Lời giải. B      1) Ta có  BC  AB  BC / /    .    AB   A      Tương tự SA  AB  SA / /    .    AB   M   ABCD   Do  BC   ABCD        ABCD   MQ / /BC,Q  CD .   BC / /    M   SAB             SAB   MN / /SA, N  SB . Tương tự SA   SAB   SA / /    N   SBC             SBC   NP / /BC,P  SC .  BC   SBC    BC / /    Thiết diện là tứ giác MNPQ . MQ / /BC  MQ / /NP nên tứ giác MNPQ là hình thang. 2) Ta có  NP / /BC GV: Nguyễn Tất Thu 11 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN MQ / /AB  Mặt khác MN / /SA  MQ  MN suy ra thiết diện là một hình thang vuông tại M và N . SA  AB  1 SMNPQ   MQ  NP  MN 2 Gọi I là trung điểm của AD và K  CI  MQ . MN BM BM.SA 2a  a  x    MN    2 a  x  SA BA BA a NP SN AM BC.AM a.x    NP   x. BC SB AB AB a Xét trong hình thang ABCD ta có : KQ CK AM ID.BM a  a  x     KC    a  x ; MQ  MK  KQ  a   a  x   2a  x . ID CI AB BA a 1 SMNPQ   2a  x  x  2  a  x   2a  a  x  . 2 Do MN / /SA nên S P N I A D M K B Q C Ví dụ 2.1.7. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang vuông tại A và D , AB  2a, AD  DC  a,SA   ABCD  và SA  a . 1)    là mặt phẳng chứa SD và vuông góc với  SAC  . Xác định và tính diện tích thiết diện của  với hình chóp S.ABCD . 2) Gọi M là trung điểm của SA , N là điểm thuộc cạnh AD sao cho AN  x . Mặt phẳng    đi qua MN và vuông góc với  SAD  . Xác định và tính diện tích thiết diện của hịnh chóp cắt bởi    . Lời giải. 1) Gọi E là trung điểm của cạnh AB và O là giao điểm của AC và DE thì ADCE là hình vuông có tâm là O . Ta có SA   ABCD   SA  OD , thêm nữa OD  AC  OD   SAC  . Từ đó ta có OD   SAC    SDO    SAC  . Vậy  SDO  chính là mặt phẳng    . GV: Nguyễn Tất Thu S Q M A E B 12 P N O D C HÌNH HỌC KHÔNG GIAN Thiết diện của hình chóp với mặt phẳng    là tam giác SDE . 2 a 2  3 2 Ta có SO  OA  AS   .  a a  2  2   2 2 BC  DE  a 2 , do DE   SAC   DE  AO  SSDE  AB   SAD  2) Ta có   AB / /    .      SAD  1 3 a2 3 1 . SO.DE  .a .a 2  2 2 2 2 M       SAB         SAB   MQ / /AB,Q  SB . Vậy AB   SAB   AB / /    N       ABCD         ABCD   NP / /AB,P  BC . Tương tự, AB   ABCD   AB / /    Thiết diện là tứ giác MNPQ . NP / /AB  NP / /MQ Do  MQ / /AB  1 . MN   SAD  Lại có   AB  MN  2  AB   SAD  Từ  1 ,  2  suy ra tứ giác MNPQ là hình thang vuông tại M và N . Do đó SMNPQ  1  NP  MQ  MN . 2 MN  AM 2  AN 2  a2 a 2  4x 2 1  x2  , MQ  AB  a 4 2 2 NP DN AB.DN 2a  a  x    NP    2 a  x AB DA DA a Vậy S MNPQ  1 2 a  x   a 2   2 2 a 2  4x 2  3a  x  a  4x .  2 2 Ví dụ 2.1.8. Cho tứ diện ABCD . Gọi G1 ,G 2 ,G 3 ,G 4 và I1 ,I 2 ,I 3 ,I 4 lần lượt là trọng tâm và tâm đường tròn nội tiếp các tam giác BCD,CDA, DAB, ABC . Chứng minh rằng: 1) Các đường thẳng AG1 , BG 2 ,CG 3 , DG 4 đồng quy 2) Nếu AB.CD  AC.BD  AD.BC thì các đường thẳng AI1 , BI 2 ,CI 3 , DI 4 đồng quy. Lời giải. GV: Nguyễn Tất Thu 13 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN A A E B G4 G3 G N G1 F G2 I2 I D M B I1 C D P C 1) Gọi E,F,M, N lần lượt là trung điểm các cạnh AB, BC,CD, DB . Vì AG1 và DG 4 cùng nằm trong mặt phẳng (SDF) nên chúng cắt nhau tại G . Ta có: G  GG 4  G  (CED) và G  AG1  G  (SCN) Suy ra G  (CED)  (SCN)  CG 3 . Do đó CG 3 đi qua G . Chứng minh tương tự, BG 2 đi qua G . Vậy các đường thẳng AG1 , BG 2 ,CG 3 , DG 4 đồng quy tại G . 2) Gọi P,P' lần lượt là chân đường phân giác trong góc A và B của tam giác ACD và BCD . PD AD P' D BD Theo tính chất đường phân giác, ta có: .  ;  PC AC P'C BC AD BD PD P' D Mặt khác AD.BC  BD.AC  nên suy ra    P  P' AC BC PC P'C Hay hai đường thẳng AI1 , BI 2 cắt nhau tại I nằm trong mặt phẳng (ABP) . Tương tự, ta chứng minh được các đường thẳng CI 3 , DI 4 cũng đi qua điểm I . Vậy các đường thẳng AI1 , BI 2 ,CI 3 , DI 4 đồng quy tại I . Bài tập vận dụng Bài 2.1.1. Cho tứ diện ABCD , O là một điểm thuộc miền trong tam giác BCD , M là điểm trên đoạn AO . 1) Tìm giao tuyến của mặt phẳng  MCD  với các mặt phẳng  ABC  ,  ABD  . 2) Gọi I, J là các điểm tương ứng trên các cạnh BC và BD sao cho IJ không song song với CD . Tìm giao tuyến của hai mặt phẳng  IJM  và  ACD  . Bài 2.1.2. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là một hình bình hành tâm O . Gọi M, N,P là ba điểm trên các cạnh AD,CD,SO . Xác định thiết diện của hình chóp với mặt phẳng (MNP) . Bài 2.1.3. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang với các cạnh đáy là AB và CD . Gọi I, J lần lượt là trung điểm của các cạnh AD và BC và G là trọng tâm của tam giác SAB . 1) Tìm giao tuyến của hai mặt phẳng  SAB  và  IJG  . 2) Tìm đi ều kiện của AB và CD để thiết diện của  IJG  và hình chóp là một hình bình hành. GV: Nguyễn Tất Thu 14 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN Bài 2.1.4. Cho hình chóp S.ABCD , M và N là hai điểm thuộc cạnh AB và CD ,    là mặt phẳng qua MN và song song với SA . 1) Xác định thiết diện của hình chóp S.ABCD khi cắt bởi    . 2) Tìm điều kiện của MN để thiết diện là một hình thang. Bài 2.1.5.Cho tứ diện đều ABCD cạnh a . M và P là hai điểm di động trên các cạnh AD và BC , sao cho MA  PC  x,  0  x  a  . Một mặt phẳng qua MP song song với CD cắt tứ diện theo một thiết diện. 1) Chứng minh thiết diện là hình thang cân. 2) Tìm x để diện tích thiết diện nhỏ nhất. Bài 2.1.6.Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình thang (AB//CD), AB  3a, AD  CD  a . Mặt bên SAB là tam giác cân đỉnh S và SA  2a , mặt phẳng    song song với  SAB  cắt các cạnh AD, BC,SC,SD theo thứ tự tại M, N,P,Q . 1) Chứng minh MNPQ là hình thang cân. 2) Đặt x  AM  0  x  a  . Tính x để MNPQ là tứ giác ngoại tiếp được một đường tròn. Tính bán kính đường tròn đó. Bài 2.1.7. Cho hình hộp ABCD.A' B'C' D' có tất cả các mặt đều là hình vuông cạnh a .Trên các cạnh AB,CC',C' D' và AA' lấy các điểm M, N,P,Q sao cho AM  C' N  C'P  AQ  x  0  x  a  . 1) Chứng minh bốn điểm M, N,P,Q đồng phẳng và MP, NQ cắt nhau tại một điểm cố định. 2) Chứng minh  MNPQ  đi qua một đường thẳng cố định. 3) Dựng thiết diện của hình hộp khi cắt bởi  MNPQ  . Tìm giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của chu vi thiết diện. Bài 2.1.8. Cho hình chóp S.ABCD có đáy là hình bình hành v ới AB  a, AD  2a . Tam giác SAB vuông can tại A , M là một điểm trên cạnh AD ( M khác A và D ). Mặt phẳng    đi qua M và song sog với  SAB  cắt BC,SC,SD lần lượt tại N,P,Q . 1) Chứng minh MNPQ là hình thang vuông. 2) Đặt AM  x . Tính diện tích của MNPQ theo a và x . Bài 2.1.9.Cho hình chóp S.ABC có đáy ABC là tam giác vuông cân tại B , AB  a, SA  a 3 và SA   ABC  . Gọi M là điểm trên cạnh AB và AM  x  0  x  a  , mặt phẳng    đi qua M và vuông góc với AB 1) Tìm thiết diện của hình chóp S.ABC với    . 2) Tính diện tích thiết diện theo a và x . Tìm x để diện tích thiết diện lớn nhất. Bài 2.1.10. Cho hình chóp S.ABCD có đáy ABCD là hình vuông cạnh a , cạnh SA   ABCD  và SA  a 3 . Goi    là mặt phẳng chứa AB và vuông góc với mặt phẳng  SCD  . Xác định và tính thiết diện của hình chóp S.ABCD khi cắt bởi    . Bài 2.1.1. GV: Nguyễn Tất Thu HƯỚNG DẪN GIẢI 15 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN 1) Trong  BCD  gọi N  DO  BC , trong  ADN  gọi P  DM   CDM  P  DM  AN   P  AN   ABC   P   CDM    ABC  A R Lại có C   CDM    ABC   PC   CDM    ABC  . G M P D Tương tự, trong  BCD  gọi Q  CO  BD , trong  ACQ  gọi R  CM  AQ Q J R  CM   CDM    R   CDM    ABD  R  AQ   ABD  D là điểm chung thứ hai của  MCD  và  ABD  nên B O K I E N C DR   CDM    ABD  . F 2) Trong  BCD  gọi E  BO  CD,F  IJ  CD , K  BE  IJ ; trong  ABE  gọi G  KM  AE . F  IJ   IJM  G  KM   IJM  Có   F   IJM    ACD  ,  F  CD   ACD  G  AE   ACD   G   IJM    ACD  . Vậy FG   IJM    ACD  . Bài 2.1.2. S H T P R E M A B O D K C N F Trong mặt phẳng (ABCD) gọi E,F,K lần lượt là giao điểm của MN với BA, BC, BD . Trong mặt phẳng  SDB  gọi H  KP  SB . Trong mặt phẳng  SAB  gọi T  EH  SA Trong mặt phẳng  SBC  gọi R  FH  SC . T  SA  T  SA   MNP  .  T  EH   MNP  Lí luận tương tự ta có R  SC   MNP  . Thiết diện là ngũ giác MNRHT . E  MN  EH   MNP  , Ta có  H  KP Bài 2.1.3. 1) Ta có ABCD là hình thang và I, J là trung điểm của AD, BC nên IJ / /AB . GV: Nguyễn Tất Thu 16 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN G   SAB    IJG   AB   SAB    SAB    IJG   MN / /IJ / /AB với Vậy  IJ   IJG   AB / /IJ M  SA, N  SB . 2) Dễ thấy thiết diện là tứ giác MNJI . MN SG 2 Do G là trọng tâm tam giác SAB và MN / /AB nên   AB SE 3 2 ( E là trung điểm của AB )  MN  AB . 3 1 Lại có IJ   AB  CD  . Vì MN / /IJ nên MNIJ là hình thang, do 2 đó MNIJ là hình bình hành khi 2 1 MN  IJ  AB   AB  CD   AB  3CD . 3 2 Vậy thết diện là hình bình hành khi AB  3CD . Bài 2.1.4. M       SAB     SAB       MQ / /SA,Q  SB . 1) Ta có    / /SA  SA   SAB  Trong  ABCD  gọi I  AC  MN S G M A N B E J I C D S I  MN      I       SAC   I  AC   SAC  I   SAC         SAC       IP / /SA,P  SC Vậy    / /SA  SA   SAC  Từ đó ta có      SBC   PQ,      SAD   NP . Thiết diện là tứ giác MNPQ . 2) Tứ giác MNPQ là một hình thang khi MN / /PQ hoặc MQ / /NP . Trường hợp 1: MQ / /NP  SA / /NP mà Nếu MQ / /NP thì ta có  MQ / /SA Q P A D M I B N C NP   SCD   SA / /  SCD  ( vô lí). Trường hợp 2: Nếu MN / /PQ thì ta có các mặt phẳng  ABCD  ,    ,  SBC  đôi một cắt nhau theo ba giao tuyến là MN, BC,PQ nên MN / /BC . GV: Nguyễn Tất Thu 17 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN MN       MN / /PQ nên tứ giác MNPQ là hình thang. Đảo lại nếu MN / /BC thì  BC   SBC   PQ       SBC  Vậy để tứ giác MNPQ là hình thang thì điều kiện là MN / /BC . Bài 2.1.5. A M N B Q D P C M       ACD         ACD   MN / /CD, N  AC 1) Ta có CD   ACD   CD / /    Tương tự      BCD   PQ / /CD,Q  BD . Thiết diện là tứ giác MNPQ . MN / /CD  MN / /PQ nên MNPQ là hình thang. Vì  PQ / /CD Dễ thấy DQ  CP  x , DM  a  x , Áp dụng định lí cô sin cho tam giác DMQ ta có MQ 2  DM 2  DQ 2  2DM.DQ cos 60 0 1 2  MQ 2  x 2   a  x   2x  a  x   3x 2  3ax  a 2  MQ  3x 2  3ax  a 2 . 2 Tương tự ta cũng tính đư ợc NP  3x 2  3ax  a 2  MP  NQ . Vậy MNPQ là hình thăng cân. Dễ thấy MN  x,PQ  a  x , đường cao hình thang 1 h 8x 2  8ax  3a 2 . 2 1 1 1 SMNPQ  [a  (a  x)]. 8x 2  8ax  3a 2  a 8x 2  8ax  3a 2 . 2 2 2 2 1 1  a a2 2) Ta có S MNPQ  a 8x 2  8ax  3a 2  a 8  x    a 2  2 2 2 2  Vậy min S MNPQ  a2 a x . 2 2 GV: Nguyễn Tất Thu 18 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN Bài 2.1.7. S Q P B A M N D C    / /  SAB   1) Do  ABCD    SAB   AB  MN / /AB 1 .   ABCD       MN    / /  SAB   Tương tự  SCD    ABCD   CD  PQ / /CD  2  .   SCD       PQ Lại có AB / /CD  3  Từ  1 ,  2  và  3  ta có MN / /AB / /CD / /PQ nên MNPQ là hình thang (*) MQ DM NP CN Dễ thấy rằng MQ / /SA, NP / /SB do đó  ;  SA DA SB CB DM CN MQ NP Mà nên .   DA CB SA SB Mặt khác SAB cân tại S  SA  SB  MQ  NP  * *  . Từ  *  và  * *  suy ra MNPQ là hình thang cân. 2) MNPQ là tứ giác ngoại tiếp  MQ  NP  MN  PQ MQ DM a  x Ta có    MQ  2  a  x   NP  2  a  x  SA DA a PQ SQ AM x Lại có     PQ  x CD SD AD a Không khó khăn ta tính được MN  3a  2x Do đó MQ  NP  MN  PQ  4  a  x   3a  2x  x  x  Khi đó tính được r  a . 3 a 7 . 6 GV: Nguyễn Tất Thu 19 HÌNH HỌC KHÔNG GIAN Bài 2.1.7. 1) Dễ thấy PN / /CD' và QM / /A' B mà A' B / /C' D nên PN / /QM hay M, N,P,Q đồng phẳng. 2) Do PC'MA là hình bình hành nên MP đi qua trung điểm O của AC' .  O   MNPQ  . Mặt khác A' B / /MQ   MNPQ   A' B / /  MNPQ  . Gọi  là đường thẳng qua O và song song với A' B thì  cố định và    MNPQ  . Hay  MNPQ  luôn chứa đường thẳng cố định  .  MNPQ  / /  A' BC'   BC'/ /  MNPQ   BC'/ /NR BR C' N a a   x  . Đảo lại x  , dễ dàng chứng minh được  MNPQ  / /  A' BC'  . BC CC' 2 2 3) Dễ thấy  cắt BC, A' D' tại các trung điểm R và S của chúng. Thiết diện là lục giác MPNPSQ . Dễ thấy lục giác có tâm đối xứng là O nên MQ  NP,MR  NS,RN  SQ do đó chu vi thiết diện là  2p  2  RM  MQ  QS  . Ta có MR  QS   a2 2 Vậy 2p  2  x 2  2  a  x   4  a2 2   a  x  , QM  x 2 4  .   2 Đặt f  x   x 2  a 2  4  a  x  ; x  [0; a] . Theo CauChy -SChwarz a 2  4 a  x 2  1  1   a  2  a  x   Nên f  x   x 2  2 1 2 2 3a  3a  2x   2 Vậy min  2p   3 2a . 2 a2  4 a  x   1 2 . Đẳng thức xảy ra khi x   3a  2x  a 2 Mặt khác bằng biến đổi tương đương ta có 2 2 2 x 2  a 2  4  a  x   2a  a   a  x   a  x   a 2   0 đúng x  0; a  . Đẳng thức xảy ra khi   x  a .Vậy max  2p   2a GV: Nguyễn Tất Thu   2 1 . 20