Chuyên đề Hai đường thẳng vuông góc (2022) - Toán 11

Chuyên đề Hai đường thẳng vuông góc - Toán 11 

A. Lý thuyết.

I. Tích vô hướng của hai vecto trong không gian.

1. Góc giữa hai vecto trong không gian.

- Định nghĩa.  Trong không gian, cho $\overrightarrow{u};\overrightarrow{v}$ là hai vecto khác vecto- không. Lấy một điểm A bất kì, gọi B và C là hai điểm sao cho $\overrightarrow{AB}=\overrightarrow{u};\overrightarrow{AC}=\overrightarrow{v}$. Khi đó, ta gọi góc $\widehat{BAC}(0^0\le \widehat{BAC}\le {180}^0)$ là góc giữa hai vecto $\overrightarrow{u};\overrightarrow{v}$ trong không gian.

Kí hiệu là ($\overrightarrow{u};\overrightarrow{v}$).

2. Tích vô hướng của hai vecto trong không gian.

- Định nghĩa:

Trong không gian có hai vecto $\overrightarrow{u};\overrightarrow{v}$ đều khác vecto- không . Tích vô hướng của hai vecto là một số, kí hiệu là $\overrightarrow{u};\overrightarrow{v}$, được xác định bởi công thức: $\overrightarrow{u}.\overrightarrow{v}=\left|\overrightarrow{u}\right|.\left|\overrightarrow{v}\right|.c\text{os\hspace{0.17em}}\left(\overrightarrow{u};\overrightarrow{v}\right)$

Trường hợp $\overrightarrow{u}=\overrightarrow{0}$ hoặc $\overrightarrow{v}=\overrightarrow{0}$ ta quy ước: $\overrightarrow{u}.\overrightarrow{v}$ = 0.

Ví dụ 1. Cho hình chóp S.ABC có SA= SB= SC và $\widehat{A\text{}SB}=\widehat{BSC}=\widehat{CSA}$. Hãy xác định góc giữa cặp vectơ $\overrightarrow{SC}$ và $\overrightarrow{AB}$?

Lời giải :

Ta có

$$\begin{gathered} \overrightarrow{\mathrm{SC}}.\overrightarrow{\mathrm{AB}}=\overrightarrow{\mathrm{SC}}.\left(\overrightarrow{\mathrm{SB}}-\overrightarrow{\mathrm{SA}}\right) \\ =\overrightarrow{\mathrm{SC}}.\overrightarrow{\mathrm{SB}}-\overrightarrow{\mathrm{SC}}.\overrightarrow{\mathrm{SA}} \\ \begin{array}{l}\\ =\left|\overrightarrow{\mathrm{SC}}\right|.\left|\overrightarrow{\mathrm{SB}}\right|.\cos \left(\overrightarrow{\mathrm{SC}}.\overrightarrow{\mathrm{SB}}\right)- \left|\overrightarrow{\mathrm{SC}}\right|.\left|\overrightarrow{\mathrm{SA}}\right|.\cos \left(\overrightarrow{\mathrm{SC}}.\overrightarrow{\mathrm{SA}}\right)\\ \\ =\mathrm{SC}.\mathrm{SB}.\cos \widehat{\mathrm{BSC}}- \mathrm{SC}.\mathrm{SA}.\cos \widehat{\mathrm{ASC}}\end{array} \end{gathered}$$

Vì SA= SB= SC và $\widehat{A\text{}SB}=\widehat{BSC}=\widehat{CSA}$$\Rightarrow \overrightarrow{SC}.\overrightarrow{AB}=0$

Ta lại có:

$$\begin{gathered} \overrightarrow{SC}.\overrightarrow{SA}=\left|\overrightarrow{SC}\right|.\left|\overrightarrow{SA}\right|.cos\left(\overrightarrow{SC},\overrightarrow{SA}\right) \\ \Rightarrow cos\left(\overrightarrow{SC},\overrightarrow{SA}\right)=0 \end{gathered}$$

Do đó $\left(\overrightarrow{SC};\overrightarrow{AB}\right)={90}^0$.

II. Vector chỉ phương của đường thẳng

1. Định nghĩa.

Nếu $\overrightarrow{a}$ khác vecto - không được gọi là vecto chỉ phương của đường thẳng d nếu giá của vecto $\overrightarrow{a}$ song song hoặc trùng với đường thẳng d.

2. Nhận xét.

a) Nếu $\overrightarrow{a}$ là vecto chỉ phương của đường thẳng d thì vecto $k\overrightarrow{a}(k\ne 0)$ cũng là vecto chỉ phương của d.

b) Một đường thẳng d trong không gian hoàn toàn được xác định nếu biết một điểm A thuộc đường thẳng d và một vecto chỉ phương của nó.

c) Hai đường thẳng song song với nhau khi và chỉ khi chúng là hai đường thẳng phân biệt và có hai vecto chỉ phương cùng phương.

III. Góc giữa hai đường thẳng trong không gian.

1. Định nghĩa:

Góc giữa hai đường thẳng a và b trong không gian là góc giữa hai đường thẳng a’ và b’ cùng đi qua một điểm và lần lượt song song với a và b.

2. Nhận xét.

a) Để xác định góc giữa hai đường thẳng a và b ta có thể lấy điểm O thuộc một trong hai đường thẳng đó rồi vẽ một đường thẳng qua O và song song với đường thẳng còn lại.

b) Nếu $\overrightarrow{u}$ là vecto chỉ phương của đường thẳng a và là $\overrightarrow{v}$ vecto chỉ phương của đường thẳng b và $(\overrightarrow{u};\overrightarrow{v})=\alpha$ thì góc giữa hai đường thẳng a và b bằng  nếu $0^0\le \alpha \le {90}^0$ và bằng ${180}^0-\alpha$ nếu ${90}^0<\alpha \le {180}^0$.

Nếu a và b song song hoặc trùng nhau thì góc giữa chúng bằng 0⁰.

Ví dụ 2. Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’.  Tính góc giữa AC và DA’

Lời giải:

Gọi a là độ dài cạnh hình lập phương.

Khi đó, tam giác AB’C đều (AB’ = B’C= CA = $a\sqrt{2}$)

Do đó $\widehat{B\text{'}CA}={60}^0$.

Lại có, DA’ song song CB’  nên  

(AC ; DA’) = (AC ; CB’) = $\widehat{B\text{'}CA}={60}^0$.

IV. Hai đường thẳng vuông góc.

1. Định nghĩa.

Hai đường thẳng được gọi là vuông góc nếu góc giữa chúng bằng 90⁰.

Ta kí hiệu hai đường thẳng a và b vuông góc với nhau là $a\perp b$.

2. Nhận xét

a) Nếu $\overrightarrow{u};\overrightarrow{v}$ lần lượt là các vecto chỉ phương của hai đường thẳng a và b thì $a\perp b\iff \overrightarrow{u}.\overrightarrow{v}=0$.

b) Cho hai đường thẳng song song. Nếu một đường thẳng vuông góc với đường thẳng này thì cũng vuông góc với đường thẳng kia.

c) Hai đường thẳng vuông góc với nhau có thể cắt nhau hoặc chéo nhau.

Ví dụ 3.  Cho tứ diện ABCD có AB= AC= AD  và $\widehat{BAC}=\widehat{BAD}={60}^0;\widehat{CAD}={90}^0$. Gọi I và J lần lượt là trung điểm của AB  và CD. Chứng minh hai đường thẳng AB và IJ vuông góc với nhau.

Lời giải:

Xét tam giác ICD có J là trung điểm đoạn CD  $\Rightarrow \overrightarrow{I\text{}J}=\frac{1}{2}\left(\overrightarrow{IC}+\overrightarrow{ID}\right).$

Tam giác ABC có AB = AC và $\widehat{BAC}={60}^0$ nên tam giác ABC đều

$\Rightarrow CI\perp AB$.  (1)

Tương tự, ta có tam giác ABD  đều nên $DI\perp AB$.  ( 2)

Từ  (1) và (2) ta có :

$$\begin{gathered} \overrightarrow{IJ}.\overrightarrow{AB}=\frac{1}{2}\left(\overrightarrow{IC}+\overrightarrow{ID}\right).\overrightarrow{AB} \\ =\frac{1}{2}\overrightarrow{IC}.\overrightarrow{AB}+\frac{1}{2}\overrightarrow{ID}.\overrightarrow{AB}=0 \\ \Rightarrow \overrightarrow{\text{IJ}}\perp \overrightarrow{AB}\Rightarrow \text{IJ}\perp \text{}AB \end{gathered}$$

B. Bài tập

I. Bài tập trắc nghiệm

Bài 1: Cho ba vecto n→, a→, b→ bất kì đều khác với vecto 0→. Nếu vecto n→ vuông góc với cả hai vecto a→ và b→ thì n→, a→ và b→:

A. đồng phẳng

B. không đồng phẳng

C. có giá vuông góc với nhau từng đôi một

D. có thể đồng phẳng

Lời giải:

Đáp án: D

Phương án A sai (hình trên)

Phương án B và C sai vì có thể sảy ra như hình sau.

Phương án D đúng vì: có thể ba vecto n→, a→ và b→ đồng phẳng hoặc không đồng phẳng như hai hình trên.

Bài 2: Nếu ba vecto a→, b→, c→ cùng vuông góc với vecto n→ khác 0→ thì chúng.

A. đồng phẳng

B. không đồng phẳng

C. có thể đồng phẳng

D. có thể không đồng phẳng

Lời giải:

Bài 3: Các đường thẳng cùng vuông góc với một đường thẳng thì:

A. thuộc một mặt phẳng

B. vuông góc với nhau

C. song song với một mặt phẳng

D. song song với nhau

Lời giải:

Bài 4: Cho hình hộp ABCD.A’B’C’D’ có tất cả các cạnh bằng a và các góc phẳng đỉnh B đều bằng 600.

a) Cặp đường thẳng nào sau đây không vuông góc với nhau?

 A. B’C và AD’      

B. BC’ và A’D

C. B’C và CD’      

D. AC và B’D’

b) Đường thẳng B’C vuông góc với đường thẳng:

A. AC      

B. CD

C. BD      

D. A’A

Lời giải:

Đáp án: a - C, b - B

a. Phương án A, B và D đều sai

Phương án C đúng vì tam giác CB’D’ có ba cạnh bằng a, a√3,a√3 nên không thể vuông tại B’

b. Phương án A sai vì tam giác ACB’ có ba cạnh bằng a

Phương án C sai vì tam giác CB’D’ có ba cạnh a, a√3,a√3 nên không thể vuông tại B’

Phương án D sai vì góc giữa đường thẳng B’C và AA’ bằng 00

Phương án B đúng vì:

Bài 5: Cho tứ diện ABCD. Nếu AB ⊥CD, AC ⊥ BD và BC ⊥ AD thì:

A. $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}$→ ≠ $\overrightarrow{AC}.\overrightarrow{AD}$ = $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AD}$

B. $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}$→ = $\overrightarrow{AC}.\overrightarrow{AD}$→ ≠ $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AD}$

C. $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}$→ = $\overrightarrow{AC}.\overrightarrow{AD}$→ = $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AD}$

D. $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AC}$→ ≠ $\overrightarrow{AC}.\overrightarrow{AD}$→ ≠ $\overrightarrow{AB}.\overrightarrow{AD}$

Lời giải:

Bài 6: Cho tứ diện ABCD có AB = AC = AD; góc BAC bằng góc BAD bằng 600. Gọi M và N là trung điểm của AB và CD

a) Góc giữa AB→ và CD→ bằng:

A. 300      

B. 600

C. 900      

D. 1200

b) Kết luận nào sau đây sai?

A. MN vuông góc với AB

B. MN vuông góc với CD

C. MN vuông góc với AB và CD

D. MN không vuông góc với AB và CD

Lời giải:

Bài 7: Cho hình lập phương ABCD.A’B’C’D’. Góc giữa hai đường thẳng AC và C’D’ bằng:

A. 00      

B. 450

C. 600      

D. 900

Lời giải:

Bài 8: Khẳng định nào sau đây đúng?

A. Hai đường thẳng cùng vuông góc với đường thẳng thứ ba thì song song với nhau.

B. Hai đường thẳng cùng vuông góc với đường thẳng thứ ba thì vuông góc với nhau.

C. Hai đường thẳng cùng song song với đường thẳng thú ba thì song song với nhau.

D. Hai đường thẳng cùng song song với đường thẳng thứ ba thì vuông góc với nhau.

Lời giải:

Bài 9: Cho tứ diện ABCD có AB = AC = AD; góc BAC = góc BAD = 600. Hãy chứng mình AB ⊥ CD.

Một bạn chứng mình qua các bước sau:

Bước 1. CD→ = AC→ - AD→

Bước 2. AB→.CD→ = AB→.(AC→ - AD→)

Bước 3. AB→.AC→ - AB→.AD→ = |AB→|.|AD→ |.cos⁡600 - |AB→|.|AD→|.cos⁡600 = 0〗

Bước 4. Suy ra AB ⊥ CD

Theo em. Lời giải trên sai từ :

A. bước 1      

B. bước 2

C. bước 3      

D. bước 4

Lời giải:

Bài 10: Cho vecto n→ ≠ 0→ và hai vecto a→ và b→ không cùng phương. Nếu vecto n→ vuông góc với cả hai vecto a→ và b→ thì n→, a→ và b→:

A. đồng phẳng

B. không đồng phẳng

C. có thể đồng phẳng

D. có thể không đồng phẳng

Lời giải: