Phương trình mặt cầu (lý thuyết và cách giải các dạng bài tập)

Với cách giải các dạng toán về Các dạng toán về phương trình mặt cầu và cách giải môn Toán lớp 12 Hình học gồm phương pháp giải chi tiết, bài tập minh họa có lời giải và bài tập tự luyện sẽ giúp học sinh biết cách làm bài tập các dạng toán về Các dạng toán về phương trình mặt cầu và cách giải lớp 12. Mời các bạn đón xem:

1 3,941 27/09/2024
Tải về


Phương trình mặt cầu (lý thuyết và cách giải các dạng bài tập)

I. Lý thuyết Phương trình mặt cầu

Trong không gian Oxyz, mặt cầu (S) tâm I (a; b; c) và bán kính R có phương trình là

S:xa2+yb2+zc2=R2(1).

Phương trình mặt cầu nói trên có thể viết dưới dạng

(S):x2+y2+z2+2ax+2by+2cz+d=0 (2) với d=a2+b2+c2R2

Từ đó ta có phương trình (2) với điều kiện a2+b2+c2d>0 là phương trình mặt cầu tâm I (-a; -b; -c) có bán kính là R=a2+b2+c2d

Đặc biệt nếu mặt cầu (S) có tâm O0;0;0bán kính R thì phương trình mặt cầu (S) là

S: x2+y2+z2=R2

II. Các dạng bài tập và cách viết phương trình mặt cầu

Dạng 1: Xác định tâm và bán kính mặt cầu – Điều kiện để (S) là một mặt cầu

Phương pháp giải:

Xét phương trình :

S:xa2+yb2+zc2=R2

Khi đó mặt cầu có tâm I (a; b; c), bán kính R

+) Xét phương trình :

(S):x2+y2+z22ax2by2cz+d=0

Khi đó mặt cầu có:

tâm Ia;b;cbán kính R=a2+b2+c2d

Điều kiện để (S) là phương trình mặt cầu là  a2+b2+c2d>0

+) Đặc biệt: S: x2+y2+z2=R2, suy ra (S) có tâm O0;0;0bán kính R

Ví dụ 1: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu S:x+12+y22+z12=9. Tính tọa độ tâm I và bán kính R của (S).

A. I (-1; 2; 1) và R = 3

B. I (1; -2; -1) và R = 3

C. I (-1; 2; 1) và R = 9

D. I (1; -2; -1) và R = 9

Hướng dẫn giải

Dựa vào phương trình mặt cầu S:x+12+y22+z12=9, ta có tâm I(1;2;1)R=9=3.

Chọn A.

Ví dụ 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho mặt cầu (S) có phương trình x2+y2+z2+2x4y+6z2=0. Tính tọa độ tâm I và bán kính R của (S).

A. Tâm I (-1; 2; -3) và bán kính R = 4

B. Tâm I (1; -2; 3) và bán kính R = 4

C. Tâm I (-1; 2; 3) và bán kính R = 4

D. Tâm I (1; -2; 3) và bán kính R = 16.

Hướng dẫn giải

Tài liệu VietJack

Chọn A.

Ví dụ 3: Cho phương trình S:x2+y2+z2+23mx2m+1y2mz+2m2+7=0. Tìm tất cả giá trị của m để (S) là một phương trình mặt cầu.

A. m<2m>3

B. 1m3

C. m<1m>3

D. m=1m=3

Hướng dẫn giải

Tài liệu VietJack

Chọn C.

Dạng 2: Viết phương trình mặt cầu khi biết tâm và bán kính

Phương pháp giải:

Bước 1: Xác định tâm I (a; b; c).

Bước 2: Xác định bán kính R của (S).

Bước 3: Thế vào phương trình (S):

Dạng phương trình mặt cầu (S) có tâm I (a; b; c) và bán kính R.

(S):   xa2+yb2+zc2=R2  

Ví dụ 4: Trong không gian Oxyz cho điểm A (-1; 2; 0), viết phương trình mặt cầu tâm A bán kính bằng 4

A. (S):   x+12+y22+z2=16  

B. (S):   x+12+y22+z2=4

C. (S):   x12+y22+z2=16  

D. (S):   x12+y22+z2=4  

Hướng dẫn giải

Dạng phương trình mặt cầu :

(S):xa2+yb2+zc2=R2  

Tâm là A suy ra a = -1, b = 2, c = 0 và R = 4

Thế vào phương trình mặt cầu (S) ta được :

(S):x+12+y22+z2=16  

Chọn A.

Ví dụ 5: Trong không gian Oxyz cho A (-2; 1; 0), B (2; -1; 2). Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm B và đi qua điểm A.

A. (S):x22+y+12+(z2)2=24  

B. (S):x22+y+12+(z2)2=24  

C. (S):x+22+y12+z2=24  

D. (S):x22+y12+(z2)2=24  

Hướng dẫn giải

Dạng phương trình mặt cầu :

(S):xa2+yb2+zc2=R2  

Tâm B (2; -1; 2).

Bán kính :

R=AB=2+22+112+202=24

Vậy phương trình mặt cầu là:

(S):x22+y+12+(z2)2=24  

Chọn B.

Dạng 3: Viết phương trình mặt cầu biết tâm và tiếp xúc với mặt phẳng

Phương pháp giải:

Cho điểm I (a; b; c) và mặt phẳng (P): Ax + By + Cz + D = 0

Vì mặt cầu tiếp xúc với mặt phẳng nên ta có

R=dI;P=|Aa+Bb+Cc+D|A2+B2+C2

Từ đó viết được phương trình mặt cầu tâm I và bán kính R đã tính phía trên.

Ví dụ 6: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho điểm A (2; 1; 1) và mặt phẳng (P): 2x – y + 2z + 1 = 0. Phương trình mặt cầu tâm A tiếp xúc với mặt phẳng (P) là

A. 22+y12+z12=4

B. x22+y12+z12=9

C. x22+y12+z12=3

D. x22+y12+z12=5

Hướng dẫn giải :

Vì mặt cầu tâm A tiếp xúc với mặt phẳng (P) nên bán kính của mặt cầu là

R=dA;P=|2.21+2.1+1|22+12+22=2

Vậy phương trình mặt cầu là :

22+y12+z12=4

Chọn A.

Dạng 4: Viết phương trình mặt cầu biết tâm và tiếp xúc với đường thẳng

Phương pháp giải:

Tài liệu VietJack

Cho điểm I (a; b; c) và đường thẳng d.

Gọi H là tiếp điểm của đường thẳng d và mặt cầu tâm I. Tìm H.

Khi đó bán kính của mặt cầu R = IH.

Ví dụ 7: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz cho đường thẳng d:x+12=y21=z+31 và điểm I (1; -2; 3). Phương trình mặt cầu có tâm I và tiếp xúc với d là

A. x12+y+22+z32=52.

B. x12+y+22+z32=50.

C. x+12+y22+z32=50

D. x+12+y22+z+32=50

Hướng dẫn giải

Tài liệu VietJack

Gọi H là tiếp điểm của đường tròn lớn tâm I và đường thẳng d.

Vì H thuộc d nên H (-1 + 2t; 2 + t; -3 – t). Suy ra IH=2t2;t+4;t6.

Vectơ chỉ phương của d là ud=2;1;1

Vì IH vuông góc với đường thẳng d nên

IH.ud=0

(2t – 2).2 + (t + 4).1 + (-t – 6 ).(-1) = 0

t = -1

Suy ra IH=4;3;5.

Vì mặt cầu tiếp xúc với đường thẳng nên bán kính của mặt cầu:

R = IH

= 42+32+52=52

Vậy phương trình mặt cầu là x12+y+22+z32=50.

Chọn B.

Dạng 5: Viết phương trình mặt cầu (S) biết tâm I và đường thẳng d cắt mặt cầu theo dây cung AB

Phương pháp giải:

Tài liệu VietJack

Bước 1: Tính khoảng cách từ tâm I đến đường thẳng d

Bước 2: Dựa vào giả thuyết đề cho, ta tính độ dài dây cung AB. Suy ra độ dài AH (với H là trung điểm AB)

Bước 3: Tính IA theo định lý Pytago cho tam giác vuông AIH. Suy ra bán kính R = IA.

Bước 4: Viết phương trình mặt cầu (S) tâm I và bán kính R đã tính bên trên.

Ví dụ 8: Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm I (2; 3; -1) và cắt đường thẳng d:x+11=y14=z1 tại hai điểm A, B với AB = 16.

A. x22+y32+z+12=76

B. x22+y+32+z+12=76

C. x22+y32+z+12=66

D. x22+y32+z+12=56

Hướng dẫn giải:

Tài liệu VietJack

Gọi H là hình chiếu vuông góc của I trên đường thẳng d.

Vì H thuộc d nên H (-1 + t; 1 – 4t; t). Suy ra IH=t3;4t2;t+1

Đường thẳng d có vectơ chỉ phương là ud=1;4;1

Vì IH vuông góc với đường thẳng d nên

IH.ud=0

(t – 3).1 + (-4t – 2).(-4) + (t + 1).1 = 0

t=13.

Suy ra IH=103;23;23 nên

IH=1032+232+232=23

Vì AB = 16 nên HA=12AB=8

Áp dụng định lí Py – ta – go trong tam giác vuông IAB ta có:

IA2=IH2+HA2=232+82=76IA=219

Vậy bán kính mặt cầu là R = IA = 219

Khi đó phương trình mặt cầu là x22+y32+z+12=76

Chọn A.

Dạng 6: Viết phương trình mặt cầu (S) biết tâm I và mặt cầu cắt mặt phẳng (P) theo giao tuyến là đường tròn (C)

Phương pháp giải:

Tài liệu VietJack

Bước 1: Tính khoảng cách từ tâm I đến mặt phẳng (P)

Bước 2: Dựa vào giả thuyết đề cho, ta tính bán kính r của đường tròn giao tuyến. Suy ra bán kính mặt cầu R=d2(I,(P))+r2

Bước 3: Kết luận phương trình mặt cầu (S)

Ví dụ 9: Cho mặt cầu (S) có tâm I (1; 0; 1) và mặt phẳng (Q): 2x – y + z + 7 = 0. Viết phương trình mặt cầu (S) sao cho (Q) cắt (S) theo một hình tròn có diện tích là 20π.

A. x12+y2+z+12=1103

B. x12+y2+z12=1103

C. x12+y2+z12=1003

D. x12+y2+z12=110

Hướng dẫn giải:

Ta có :

dI,Q=|2.10+1+7|22+12+12=563

Gọi r là bán kính đường tròn giao tuyến của (S) và mặt phẳng (Q). Ta có diện tích đường tròn giao tuyến là 20π=πr2r=25.

Gọi R là bán kính mặt cầu (S) cần tìm.

Theo giả thiết:

R=dI,Q2+r2=5632+252=3303.

Vậy (S):

x12+y2+z12=1103

Chọn B.

Dạng 7: Phương trình mặt cầu biết tâm thuộc một đường thẳng và thỏa mãn một điều kiện cho trước

Phương pháp giải:

Bước 1: Rút tọa độ tâm I theo đường thẳng d đã cho trước.

Giả sử điểm I là tâm của mặt cầu và đường thẳng d có phương trình

d:x=x0+aty=y0+btz=z0+ct

Khi đó nếu Id thì ta có I(x0+at;y0+bt;z0+ct)

Bước 2: Dựa vào yêu cầu bài toán lập một phương trình theo biến t để giải

Tọa độ tâm I

Bước 3: Xác định bán kính R của mặt cầu

Bước 4: Viết phương trình mặt cầu (S).

Ví dụ 10: Viết phương trình mặt cầu (S) có tâm I thuộc đường thẳng Δ:x=ty=1z=t và (S) tiếp xúc với hai mặt phẳng α:  x + 2y + 2z + 3 = 0 và β: x + 2y + 2z + 7 = 0.

A. x+32+y+12+z32=49

B. x32+y12+z+32=49

C. x+32+y+12+z+32=49

D. x32+y+12+z+32=49

Hướng dẫn giải:

Do I thuộc d nên tâm mặt cầu có tọa độ dạng I (t; -1; -t). Khi đó do (S) tiếp xúc với (P), (Q) nên khoảng cách từ I tới (P), (Q) là bằng nhau và cùng bằng bán kính mặt cầu.

dI;P=dI;Qt+2.1+2.t+312+22+22=t+2.1+2.t+712+22+22=R

Hay t+1=t+5

t+1=t+5t+1=t5

t = 3 I (3; -1; -3).

Thay vào phương trình khoảng cách ta được R=23. Vậy phương trình mặt cầu: x32+y+12+z+32=49

Chọn D

III. Bài tập vận dụng

Câu 1 : Mặt cầu:

S:x12+y+22+z2=9 có tâm I là :

A. I (1 ; -2 ; 0)

B. I (-1 ; 2 ; 0)

C. I (1 ; 2 ; 0)

D. I (-1 ; -2 ; 0).

Câu 2 : Mặt cầu:

S:x2+y2+z28x+2y+1=0 có tâm I là :

A. I (8 ; -2 ; 0)

B. I (-4 ; 1 ; 0)

C. I (-8 ; 2 ; 0)

D. I (4 ; -1 ; 0).

Câu 3 : Mặt cầu:

S:x2+y2+z24x+1=0 có tọa độ tâm I và bán kính R là :

A. I (2; 0; 0),  R=3.

B. I (2; 0; 0), R=3.

C. I (0; 2; 0), R=3.

D. I (-2; 0; 0), R=3.

Câu 4: Phương trình nào sau đây là phương trình mặt cầu?

A. x2+y2+z22x=0.

B. x2+y2z2+2xy+1=0.

C. 2x2+2y2=x+y2z2+2x1.

D. x+y2=2xyz21.

Câu 5: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, giả sử tồn tại mặt cầu (S) có phương trình x2+y2+z24x+8y2az+6a=0. Nếu (S) có đường kính bằng 12 thì a nhận những giá trị nào?

A. a=2a=8

B. a=2a=8

C. a=2a=4

D. a=2a=4

Câu 6: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz. Mặt cầu tâm I (1; 3; 2), bán kính R = 4 có phương trình

A. (x1)2+(y3)2+(x2)2=4

B. (x1)+(y3)+(x2)=16

C. (x1)2+(y3)2+(x2)2=16

D. (x1)2+(y3)2+(x2)2=8

Câu 7: Trong không gian Oxyz cho A (-2; 1; 0), B (2; -1; 2). Viết phương trình mặt cầu (S) có đường kính là AB.

A. (S):   x2+y2+(z1)2=24  

B. (S):   x2+y2+(z1)2=6  

C. (S):   x2+y2+(z1)2=6  

D. (S):   x2+y2+(z1)2=24 

Câu 8: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz viết phương trình mặt cầu (S) có tâm I (1; 2; -3) và đi qua A (1; 0; 4).

A. x12+y22+z+32=53.

B. x12+y22+z+32=53.

C. x+12+y+22+z32=53.

D. x+12+y+22+z+32=53.

Câu 9: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, phương trình mặt cầu (S) có tâm I (-1; 2; 1) và tiếp xúc với mặt phẳng (P): x – 2y – 2z – 2 = 0 là

A. x+12+y22+z12=3

B. x+12+y22+z12=9

C. x+12+y22+z+12=3

D. x+12+y22+z+12=9

Câu 10: Trong không gian Oxyz, mặt cầu:

S:x2+y2+z22x+4y4=0 cắt mặt phẳng (P): x + y – z + 4 = 0 theo giao tuyến là đường tròn (C). Tính diện tích S của hình tròn giới hạn bởi (C).

A. S=6π

B. S=2π783

C. S=26π3

D. S=26π

Câu 11: Viết phương trình mặt cầu (S) đi qua hai điểm A (2; 6; 0), B (4; 0; 8) và có tâm thuộc d:x11=y2=z+51

A. x3232+y+5832+z+4432=932

B. x12+y2+z+52=2449

C. x+3232+y5832+z4432=932

D. x32+y+12+z+32=932

ĐÁP ÁN

Tài liệu VietJack

1 3,941 27/09/2024
Tải về