Lý thuyết Phương trình mặt phẳng – Toán lớp 12 Chân trời sáng tạo

Với lý thuyết Toán lớp 12 Bài 1: Phương trình mặt phẳng chi tiết, ngắn gọn và bài tập tự luyện có lời giải chi tiết sách Chân trời sáng tạo sẽ giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm để học tốt môn Toán 12.

1 793 06/08/2025


Lý thuyết Toán 12 Bài 1: Phương trình mặt phẳng - Chân trời sáng tạo

A. Lý thuyết Phương trình mặt phẳng

1. Vectơ pháp tuyến và cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng

Cho mặt phẳng (α).

+) Nếu vectơ n→ khác 0→ và có giá vuông góc với (α) thì n→ được gọi là vectơ pháp tuyến của (α).

+) Nếu hai vectơ a→,b→ không cùng phương, có giá song song hoặc nằm trong (α) thì a→,b→ được gọi là cặp vectơ chỉ phương của (α).

Chú ý:

a) Một mặt phẳng hoàn toàn được xác định khi biết một điểm và một vectơ pháp tuyến của nó hoặc biết một điểm và một cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng đó.

b) Nếu n→ là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (α) thì kn→ (k ≠ 0) cũng là một vectơ pháp tuyến của (α).

Ví dụ 1. Cho hình hộp chữ nhật ABCD.A'B'C'D'.

a) Tìm cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng (A'B'C'D').

b) Tìm một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (A'B'C'D').

Hướng dẫn giải

Phương trình mặt phẳng (Lý thuyết Toán lớp 12) | Chân trời sáng tạo

a) Vì A'D'→và A'B'→không cùng phương và có giá nằm trong mặt phẳng (A'B'C'D') nên A'D'→ và A'B'→là cặp vectơ chỉ phương của mặt phẳng (A'B'C'D').

b) Vì AA' ⊥ (A'B'C'D') nên AA'→ là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (A'B'C'D').

2. Xác định vectơ pháp tuyến của mặt phẳng khi biết một cặp vectơ chỉ phương

Trong không gian Oxyz, nếu mặt phẳng (α) nhận hai vectơ a→=a1;a2;a3,b→=b1;b2;b3 làm cặp vectơ chỉ phương thì (α) nhận vectơ n→=a2b3−a3b2;a3b1−a1b3;a1b2−a2b1 làm vectơ pháp tuyến.

Chú ý:

a) Vectơ n→=a2b3−a3b2;a3b1−a1b3;a1b2−a2b1 được gọi là tích có hướng của hai vectơ a→=a1;a2;a3 và b→=b1;b2;b3, kí hiệu là a→,b→.

b) Biểu thức a1b2 – a2b1 thường được kí hiệu a1a2b1b2. Tương tự, a2a3b2b3=a2b3−a3b2, a3a1b3b1=a3b1−a1b3. Như vậy, ta có thể viết:

a→,b→=a2a3b2b3;a3a1b3b1;a1a2b1b2.

c) a→ và b→ cùng phương ⇔a→,b→=0→.

d) Nếu n→=a→,b→ thì n→⊥a→ và n→⊥b→.

Ví dụ 2. Cho mặt phẳng (P) nhận a→=1;2;0 và b→=−1;1;1 làm cặp vectơ chỉ phương. Tìm một vectơ pháp tuyến của (P).

Hướng dẫn giải

Ta có tích có hướng của hai vectơ a→,b→ là

a→,b→=2.1−0.1;0.−1−1.1;1.1−2.−1=2;−1;3.

Do đó mặt phẳng (P) nhận n→=a→,b→=2;−1;3 làm một vectơ pháp tuyến.

3. Phương trình tổng quát của mặt phẳng

• Khái niệm phương trình tổng quát của mặt phẳng

Trong không gian Oxyz, mỗi mặt phẳng đều có phương trình dạng Ax + By + Cz + D = 0 trong đó A, B, C không đồng thời bằng 0, được gọi là phương trình tổng quát của mặt phẳng.

Nhận xét:

a) Mỗi phương trình Ax + By + Cz + D = 0 (trong đó A, B, C không đồng thời bằng 0) đều xác định một mặt phẳng nhận n→=A;B;C làm vectơ pháp tuyến.

b) Cho mặt phẳng (α) có phương trình tổng quát Ax + By + Cz + D = 0. Khi đó

N(x0; y0; z0) ∈ (α) ⇔ Ax0 + By0 + Cz0 + D = 0.

Ví dụ 3. Cho mặt phẳng (P) có phương trình 5x – y + z + 3 = 0.

a) Tìm một vectơ pháp tuyến của (P).

b) Cho A(1; −1; −9). Chứng minh A ∈ (P).

Hướng dẫn giải

a) Mặt phẳng (P) có một vectơ pháp tuyến là n→=5;−1;1.

b) Thay tọa độ điểm A vào phương trình mặt phẳng (P) ta được:

5.1 – (−1) – 9 + 3 = 0.

Do đó A ∈ (P).

• Lập phương trình tổng quát của mặt phẳng đi qua một điểm và biết vectơ pháp tuyến

Trong không gian Oxyz, phương trình mặt phẳng đi qua điểm M0(x0; y0; z0) và có vectơ pháp tuyến là A(x – x0) + B(y – y0) + C(z – z0) = 0 hay Ax + By + Cz + D = 0 với D = −Ax0 – By0 – Cz0.

Ví dụ 4. Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua điểm A(2; 0; 1) và có vectơ pháp tuyến n→=1;−1;2.

Hướng dẫn giải

Mặt phẳng (P) đi qua điểm A(2; 0; 1) và có vectơ pháp tuyến n→=1;−1;2 có phương trình là 1(x – 2) – (y – 0) + 2(z – 1) = 0 ⇔ x – y + 2z – 4 = 0.

• Lập phương trình tổng quát của mặt phẳng đi qua một điểm và biết cặp vectơ chỉ phương

Để lập phương trình tổng quát của mặt phẳng (α) đi qua điểm M0(x0; y0; z0) và có cặp vectơ chỉ phương a→,b→, ta thực hiện như sau:

+) Tìm một vectơ pháp tuyến n→=a→,b→.

+) Viết phương trình (α) đi qua M0(x0; y0; z0) và có vectơ pháp tuyến n→.

Ví dụ 5. Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua điểm A(2; 1; 3) và có cặp vectơ chỉ phương a→=1;0;2, b→=−1;−1;1.

Hướng dẫn giải

Vì (P) có có cặp vectơ chỉ phương a→=1;0;2, b→=−1;−1;1 nên (P) có vectơ pháp tuyến n→=a→,b→=0.1−2.−1;2.−1−1.1;1.−1−0.−1=2;−3;−1.

Phương trình mặt phẳng (P) là:

2(x – 2) – 3(y – 1) – (z – 3) = 0 ⇔ 2x – 3y – z + 2 = 0.

• Lập phương trình tổng quát của mặt phẳng đi qua ba điểm không thẳng hàng

Để lập phương trình tổng quát của mặt phẳng (α) đi qua ba điểm A, B, C không thẳng hàng, ta thực hiện như sau:

+) Tìm cặp vectơ chỉ phương, chẳng hạn AB→,AC→.

+) Tìm một vectơ pháp tuyến n→=AB→,AC→.

+) Viết phương trình (α) đi qua A và có vectơ pháp tuyến n→.

Ví dụ 6. Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua điểm 3 điểm M(1; 0; 2), N(3; 4; 1), P(−1; 1; 3).

Hướng dẫn giải

Vì (P) đi qua 3 điểm M, N, P nên mặt phẳng (P) có cặp vectơ chỉ phương là MN→=2;4;−1,MP→=−2;1;1.

Mặt phẳng (P) nhận

n→=15MN→,MP→=154.1−−1.1;−1.−2−1.2;2.1−4.−2=1;0;2 làm vectơ pháp tuyến.

Phương trình mặt phẳng (P) là: (x – 1) + 2(z – 2) = 0 ⇔ x + 2z – 5 = 0.

Nhận xét: Trong không gian Oxyz, cho ba điểm A(a; 0; 0), B(0; b; 0), C(0; 0; c) với a, b, c đều khác 0. Khi đó phương trình (ABC): xa+yb+zc=1. Phương trình này được gọi là phương trình mặt phẳng theo đoạn chắn.

4. Điều kiện để hai mặt phẳng song song, vuông góc

• Điều kiện để hai mặt phẳng song song

Trong không gian Oxyz, cho hai mặt phẳng (α1): A1x + B1y + C1z + D1 = 0 và (α2): A2x + B2y + C2z + D2 = 0 có vectơ pháp tuyến lần lượt là n1→=A1;B1;C1,n2→=A2;B2;C2. Khi đóα1//α2⇔n1→=kn2→D1≠kD2k∈ℝ.

Chú ý:

+) α1≡α2⇔n1→=kn2→D1=kD2k∈ℝ.

+) (α1) cắt (α2) ⇔n1→ và n2→ không cùng phương.

Ví dụ 7. Mặt phẳng (P): x + 2y – z + 5 = 0 song song với mặt phẳng nào dưới đây?

a) (Q): 2x + 4y – 2z + 3 = 0.

b) (R): 4x + 8y – 4z + 20 = 0.

c) (H): x – 2y + z = 0.

Hướng dẫn giải

Các mặt phẳng (P), (Q), (R), (H) có vectơ pháp tuyến lần lượt là n1→=1;2;−1,n2→=2;4;−2,n3→=4;8;−4,n4→=1;−2;1.

a) Ta có n2→=2n1→ và 3 ≠ 2.5. Do đó (P) // (Q).

b) Ta có n3→=4n1→ và 20 = 4.5. Do đó (P) ≡ (Q).

c) Ta có 11≠2−2 suy ra n1→ và n4→ không cùng phương. Vậy (P) cắt (H).

• Điều kiện để hai mặt phẳng vuông góc

Trong không gian Oxyz, cho hai mặt phẳng (α1): A1x + B1y + C1z + D1 = 0 và (α2): A2x + B2y + C2z + D2 = 0 có vectơ pháp tuyến lần lượt là n1→=A1;B1;C1,n2→=A2;B2;C2.

Khi đó α1⊥(α2)⇔n1→.n2→=0⇔A1A2+B1B2+C1C2=0.

Ví dụ 8. Cho hai mặt phẳng (P): x + y – z + 5 = 0 và (Q): −2y – 2z + 3 = 0. Chứng minh (P) ⊥ (Q).

Hướng dẫn giải

Mặt phẳng (P) và (Q) lần lượt có vectơ pháp tuyến là n1→=1;1;−1,n2→=0;−2;−2.

Có n1→.n2→=1.0+1.−2+−1.−2=0.

Vậy (P) ⊥ (Q).

5. Khoảng cách từ một điểm đến một mặt phẳng

Trong không gian Oxyz, cho mặt phẳng (α) có phương trình Ax + By + Cz + D = 0 và điểm M0(x0; y0; z0). Khoảng cách từ điểm M0 đến mặt phẳng (α) được tính theo công thức dM0,α=Ax0+By0+Cz0+DA2+B2+C2.

Ví dụ 9. Tính khoảng cách từ điểm M(1; −1; 0) đến mặt phẳng (P): −2x + y – z + 5 = 0.

Hướng dẫn giải

Ta có dM,P=−2.1−1+5−22+12+−12=26.

B. Bài tập Phương trình mặt phẳng

Bài 1. Trong không gian Oxyz, phương trình nào sau đây là phương trình tổng quát của mặt phẳng?

A. x – 3y2 + z – 1 = 0.

B. x2 + 2y + 4z – 2 = 0.

C. 2x – 3y + 4z – 2024 = 0.

D. 2x – 3y + 4z2 – 2025 = 0.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: C

Dựa vào định nghĩa phương trình tổng quát của mặt phẳng, ta chọn đáp án C.

Bài 2. Trong không gian Oxyz, cho mặt phẳng (P): 3x – y + 2z – 1 = 0. Vectơ nào dưới đây không phải là một vectơ pháp tuyến của (P).

A. n→=−3;1;−2.

B. n→=3;1;2.

C. n→=3;−1;2.

D. n→=6;−2;4.

Hướng dẫn giải

Đáp án đúng là: B

Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (P) là n1→=3;−1;2.

n→=−3;1;−2=−n1→ là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (P).

n→=6;−2;4=2n1→ là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (P).

Bài 3. Trong không gian với hệ trục tọa độ Oxyz,

a) Viết phương trình mặt phẳng đi qua điểm A(1; 2; −3), có vectơ pháp tuyến n→=2;−1;3.

b) Viết phương trình mặt phẳng (Q) đi qua điểm A(0; −3; 2) và song song với mặt phẳng (P): 2x – y + 3z + 5 = 0.

Hướng dẫn giải

a) Mặt phẳng đi qua điểm A(1; 2; −3), có vectơ pháp tuyến n→=2;−1;3 có phương trình là 2(x – 1) – (y – 2) + 3(z + 3) = 0 ⇔ 2x – y + 3z + 9 = 0.

b) Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (P) là n→=2;−1;3.

Vì (Q) // (P) nên mặt phẳng (Q) nhận vectơ pháp tuyến của (P) làm vectơ pháp tuyến.

Do đó mặt phẳng (Q) đi qua A(0; −3; 2), có vectơ pháp tuyến n→=2;−1;3 có phương trình là: 2(x – 0) – (y + 3) + 3(z – 2) = 0 ⇔ 2x – y + 3z – 9 = 0.

Bài 4. Trong không gian Oxyz, cho hai điểm A(0; 0; 1) và B(1; 2; 3).

a) Viết phương trình mặt phẳng (P) đi qua A và vuông góc với AB.

b) Tính khoảng cách từ điểm M(1; 2; 3) đến mặt phẳng (P).

Hướng dẫn giải

a) Có AB→=1;2;2.

Mặt phẳng (P) vuông góc với AB nên mặt phẳng (P) nhận AB→ làm vectơ pháp tuyến.

Phương trình mặt phẳng (P) là: x + 2y + 2(z – 1) = 0 ⇔ x + 2y + 2z – 2 = 0.

b) Ta có dM,P=1+2.2+2.3−212+22+22=3.

Bài 5. Một công trình đang xây dựng được gắn hệ trục Oxyz như hình vẽ dưới (đơn vị trên mỗi trục tọa độ là mét). Mỗi cột bê tông có dạng hình lăng trụ tứ giác đều và có tâm của mặt đáy trên lần lượt là A(3; 2; 3), B(6; 3; 3), C(9; 4; 2), D6;0;52.

Phương trình mặt phẳng (Lý thuyết Toán lớp 12) | Chân trời sáng tạo

a) Bốn điểm A, B, C và D có đồng phẳng không?

b) Tính khoảng cách từ điểm D đến mặt phẳng (ABC).

Hướng dẫn giải

a) Có AB→=3;1;0,AC→=6;2;−1, AB→,AC→=−1;3;0.

Mặt phẳng (ABC) đi qua A(3; 2; 3) và nhận n→=AB→,AC→=−1;3;0 làm vectơ pháp tuyến có phương trình là –(x – 3) + 3(y – 2) = 0 ⇔ x – 3y + 3 = 0.

Thay tọa độ điểm D vào phương trình mặt phẳng (ABC), ta được

6−3.0+3=9≠0.

Do đó D ∈ (ABC). Do đó A, B, C, D không đồng phẳng.

b) dD,ABC=6−3.0+312+−32=910.

Trắc nghiệm: Phương trình mặt phẳng

I. Nhận biết

Câu 1. Cho hình lập phương ABCD.A'B'C'D'. Vectơ nào là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng ABCD?

A. AC→.

B. AC'→.

C. AA'→.

D. AD'→.

Đáp án đúng là: C

10 Bài tập Phương trình mặt phẳng (có đáp án) | Chân trời sáng tạo Trắc nghiệm Toán 12

Ta có: ABCD.A'B'C'D' là hình lập phương nên AA'→⊥ABCD

Do đó, AA'→ là vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (ABCD).

Câu 2. Phương trình nào dưới đây là phương trình tổng quát của mặt phẳng?

A. x2+2y+z−3=0.

B. x2+y2+z2−2=0.

C. x2+2y2+z−5=0.

D. x+2y+z−4=0.

Đáp án đúng là: D

Phương trình tổng quát của mặt phẳng có dạng: ax+by+cz+d=0 trong đó a, b, c, d không đồng thời bằng 0.

Do đó, ta chọn D.

Câu 3. Trong không gian Oxyz, mặt phẳng P:x+y+z−3=0 đi qua điểm nào dưới đây?

A. A−1;−1;−1.

B. B1;1;1.

C. C1;1;−1.

D. D−3;0;0.

Đáp án đúng là: B

Thay tọa độ vào phương trình mặt phẳng, ta có:

Với điểm A−1;−1;−1, ta được: −1+−1+−1−3=−6≠0.

Do đó, mặt phẳng (P) không đi qua điểm A−1;−1;−1,

Với điểm B1;1;1, ta được: 1+1+1−3=0.

Do đó, mặt phẳng (P) đi qua điểm B1;1;1

Với điểm C1;1;−1, ta được: 1+1+−1−3=−2≠0.

Do đó, mặt phẳng (P) không đi qua điểm C1;1;−1,

Với điểm D−3;0;0, ta được: −3+0+0−3=−6≠0.

Do đó, mặt phẳng (P) không đi qua điểm D−3;0;0

Câu 4. Trong không gian Oxyz, cho mặt phẳng α:2x+y+z+1=0. Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng là

A. n→=2;1;1.

B. n→=−2;1;−1.

C. n→=2;−1;−1.

D. n→=1;1;1.

Đáp án đúng là: A

Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng α:2x+y+z+1=0 là n→=2;1;1.

Câu 5. Trong không gian Oxyz, cho mặt phẳng P:x1+y2+z3=1. Điểm nào sau đây không thuộc mặt phẳng (P)?

A. P0;2;0.

B. Q0;0;3.

C. M1;2;3.

D. N1;0;0.

Đáp án đúng là: C

Xét các đáp án, ta thấy điểm M1;2;3 không thuộc mặt phẳng (P) do

11+22+33=3≠1.

II. Thông hiểu

Câu 6. Trong không gian Oxyz, phương trình mặt phẳng (P) đi qua điểm A2;1;3 và có vectơ pháp tuyến n→=2;3;−1 là

A. 2x+3y−z−2=0.

B. 2x+3y−z+2=0.

C. 2x−y+3z−2=0.

D. 2x−y+3z+2=0.

Đáp án đúng là: A

Ta có: 2x−1+3y−1+−1z−3=0 hay 2x+3y−z−2=0.

Câu 7. Trong không gian Oxyz, vectơ nào sau đây là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (P), biết a→=−1;−2;−2, b→=−1;0;−1 là cặp vectơ chỉ phương của (P)?

A. n→=2;1;2.

B. n→=2;−1;−2.

C. n→=2;1;−2.

D. n→=−2;1;−2.

Đáp án đúng là: C

Ta có vectơ pháp tuyến n→ của mặt phẳng (P) bằng

n→=a→,b→=−2−20−1;−2−1−1−1;−1−2−10=2;1;−2.

Vậy vectơ pháp tuyến của mặt phẳng là n→=2;1;−2.

Câu 8. Trong không gian Oxyz, cho điểm A3;−2;−2, B3;2;0, C0;2;1. Phương trình mặt phẳng (ABC) là

A. 2x−3y+6z+12=0.

B. 2x−3y−6z−12=0.

C. 2x−3y+6z=0.

D. 2x+3y+6z+12=0.

Đáp án đúng là: C

Ta có: AB→=0;4;2, AC→=−3;4;3

Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (ABC) là

n→=AB→,AC→=4243;203−3;04−34 =4;−6;12=22;−3;6.

Suy ra n→=2;−3;6 là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (ABC).

Vậy phương trình mặt phẳng (ABC) là:

2x−3+−3y−2+6z−0=0 hay 2x−3y+6z=0.

Câu 9. Trong không gian OXyz, cho điểm M(1; 2; 3). Gọi A, B, C lần lượt là hình chiếu vuông góc của điểm M lên các trục Ox,Oy,Oz. Phương trình mặt phẳng (ABC) là

A. x1+y2+z3=1.

B. −x1+y2+z3=1.

C. x1+y2+z3=0.

D. x1−y2+z3=1.

Đáp án đúng là: A

Theo đề, ta có: A, B, C lần lượt là hình chiếu vuông góc của điểm M lên các trục Ox,Oy,Oz nên A1;0;0,B0;2;0,C0;0;3

Lúc này có phương trình mặt phẳng (ABC) là: x1+y2+z3=1.

III. Vận dụng

Câu 10. Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, cho hai mặt phẳng P:2x+my+3z−5=0 và Q:nx−8y−6z+2=0 với m,n∈ℝ. Xác định m, n để (P) song song với (Q).

A. m=n=−4.

B. m=4;n=−4.

C. m=−4;n=4.

D. m=n=4.

Đáp án đúng là: B

Mặt phẳng (P) có vectơ pháp tuyến nP→=2;m;3.

Mặt phẳng (Q) có vectơ phép tuyến nQ→=n;−8;−6.

Để (P) song song với (Q) thì nP→=knQ→ k∈ℝ⇔2=knm=−8k3=−6k⇔k=−12m=4n=−4.

1 793 06/08/2025


Xem thêm các chương trình khác: