Lý thuyết Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian – Toán lớp 12 Cánh diều

Với lý thuyết Toán lớp 12 Bài 1:  Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian chi tiết, ngắn gọn và bài tập tự luyện có lời giải chi tiết sách Cánh diều sẽ giúp học sinh nắm vững kiến thức trọng tâm để học tốt môn Toán 12.

1 211 16/08/2024


Lý thuyết Toán 12 Bài 1: Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian- Cánh diều

A. Lý thuyết Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian

1. Khái niệm vectơ trong không gian

• Vectơ trong không gian

Vectơ trong không gian là một đoạn thẳng có hướng.

Chú ý:

Cho đoạn thẳng AB trong không gian. Nếu ta chọn điểm đầu là A, điểm cuối là B thì ta có một vectơ, kí hiệu là AB , đọc là “vectơ AB”.

Khi không cần chỉ rõ điểm đầu và điểm cuối của vectơ, vectơ còn được kí hiệu là a, b, u , v,...

Các khái niệm có liên quan đến vectơ trong không gian như: giá của vectơ, độ dài của vectơ, vectơ cùng phương, vectơ cùng hướng, vectơ – không, hai vectơ bằng nhau, hai vectơ đối nhau, … được phát biểu tương tự như trong mặt phẳng.

Ví dụ 1. Cho hình hộp ABCD.A'B'C'D'. Hãy chỉ ra ba vectơ có điểm đầu và điểm cuối là các đỉnh của hình hộp sao cho mỗi vectơ đó:

a) Bằng vectơ DC.

b) Là vectơ đối của vectơ DC.

Hướng dẫn giải

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

a) Do các vectơ D'C',AB,A'B' cùng hướng với vectơ DC

DC = D'C' = A'B' = AB (tính chất hình hộp) nên DC = D'C'= AB = A'B' .

Vậy ba vectơ D'C',AB,A'B' có điểm đầu và điểm cuối là các đỉnh của hình hộp và bằng vectơ DC .

b) Do các vectơ C'D',BA, B'A' ngược hướng với vectơ DC

DC = D'C' = A'B' = AB (tính chất hình hộp) nên ba vectơ C'D',BA, B'A' là ba vectơ đối của vectơ DC .

Chú ý:

Cho điểm O và vectơ a . Khi đó, tồn tại duy nhất điểm M trong không gian sao cho OM=a .

Để xác định điểm M, ta làm như sau (xem hình dưới):

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Qua O kẻ đường thẳng d song song hoặc trùng với giá của vectơ a.

Lấy điểm M trên đường thẳng d sao cho hai vectơ OM,a là cùng hướng và độ dài đoạn thẳng OM bằng độ dài đoạn thẳng vectơ a.

2. Các phép toán vectơ trong không gian

2.1. Tổng và hiệu của hai vectơ trong không gian

- Tổng của hai vectơ

Trong không gian, cho hai vectơ a, b. Lấy một điểm A tùy ý, vẽ AB=a, BC=b.

Vectơ AC được gọi là tổng của hai vectơ ab, kí hiệu là AC=a+b.

Chú ý:

Phép lấy tổng hai vectơ còn được gọi là phép cộng vectơ.

Phép cộng vectơ trong không gian cũng có các tính chất như phép cộng vectơ trong mặt phẳng, chẳng hạn: Phép cộng vectơ trong không gian cũng có các tính chất giao hoán, kết hợp, cộng với vectơ – không. Do đó, ta cũng định nghĩa được tổng của ba vectơ trong không gian.

Khi thực hiện phép cộng vectơ trong không gian, ta vẫn có thể áp dụng quy tắc ba điểm, quy tắc hình bình hành như đối với vectơ trong mặt phẳng.

Đối với vectơ trong không gian, ta cũng có các quy tắc sau:

Với ba điểm A, B, C trong không gian, ta có: AB+BC=AC (quy tắc ba điểm);

Nếu ABCD là hình bình hành thì AB+AD=AC (quy tắc hình bình hành).

Nếu ABCD.A'B'C'D' là hình hộp thì AB+AD+AA'=AC' (quy tắc hình hộp).

Ví dụ 2: Cho tứ diện ABCD. Chứng minh rằng: AC+DB=AB+DC.

Hướng dẫn giải

Theo quy tắc ba điểm, ta có:

AC=AB+BC.

Do đó:

AC + DB = AB +BC+ DB

= AB + DB+BC

= AB + DC

Vậy AC + DB = AB + DC (đpcm).

Ví dụ 3: Cho hình hộp ABCD.A'B'C'D'. Chứng minh rằng: B'B +BC+ BA = B'D.

Hướng dẫn giải

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Ta có: BC = B'C',BA = B'A'.

Do đó: B'B + BC + BA = B'B + B'C'+ B'A' = B'D (quy tắc hình hộp).

- Hiệu của hai vectơ

Trong không gian, cho hai vectơ a, b. Hiệu của vectơ a và vectơ b là tổng của vectơ avới vectơ đối của vectơ b, kí hiệu là ab.

Phép lấy hiệu của hai vectơ còn được gọi là phép trừ vectơ.

Đối với vectơ trong không gian, ta có quy tắc sau:

Với ba điểm O, A, B trong không gian, ta có: OAOB=BA (quy tắc hiệu).

Ví dụ 4: Cho hình hộp ABCD.A'B'C'D'. Chứng minh AA'-B'A'= AB'.

Hướng dẫn giải:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Ta có: AA'- B'A'= AA'+ B'A'

= AA' + A'B'

= AB'.

Vậy AA' - B'A'=AB' (đpcm).

2.2. Tích của một số với một vectơ trong không gian

Tương tự như trong mặt phẳng, trong không gian ta cũng có định nghĩa sau:

Cho số thực k ≠ 0 và vectơ a 0. Tích của số k với vectơ a là một vectơ, kí hiệu là ka, được xác định như sau:

Cùng hướng với vectơ a nếu k > 0, ngược hướng với vectơ a nếu k < 0;

Có độ dài bằng |k| . | a|.

Quy ước: 0.a = 0, k. 0 = 0 . Do đó, k.a = 0 khi và chỉ khi k = 0 hoặc a= 0 .

Chú ý:

Phép lấy tích của một số với một vectơ gọi là phép nhân một số với một vectơ.

Phép nhân một số với một vectơ trong không gian có các tính chất sau:

Với hai vectơ bất kì a ,b và hai số thực h, k ta có:

+ k(a + b) = k a + kb ; k(a- b ) = ka − kb ;

+ (h + k)a = h a + k a;

+ h(k a) = (hk) a;

+ 1a =a ; (−1) a = − a.

Hai vectơ a, b khác 0 là cùng phương khi và chỉ khi có một số thực k ≠ 0 sao cho a=kb .

Ví dụ 5: Cho tứ diện ABCD. Gọi G là trọng tâm của tam giác BCD, M là trung điểm của BC. Chứng minh rằng:

a) AG= 13AB+AC+AD ;

b) 12AB+AC2AD= DM.

Hướng dẫn giải:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

a) Ta có:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Vì G là trọng tâm của tam giác BCD nên GB+ GC +GD= 0.

Do đó, ta có: AB +AC+ AD=3AGAG=13 AB+AC+AD.

⇒ đpcm.

b) Vì M là trung điểm BC nên suy ra BM =12BC.

Ta có

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

⇒ đpcm.

2.3. Tích vô hướng của hai vectơ trong không gian

Trong không gian, cho hai vectơ a,b khác 0. Lấy một điểm O tùy ý và vẽ hai vectơ OA=a, OB=b. Góc giữa hai vectơ a,b trong không gian là góc giữa hai vectơ OA,OB, kí hiệu là a,b .

Chú ý: 0oa,b ≤ 180o.

Ví dụ 6: Cho hình lập phương ABCD.A'B'C'D'. Tính góc giữa hai vectơ AD',BD .

Hướng dẫn giải:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Ta có: AD',BD =BC',BD= C'BD^.

Do tam giác C'BD là tam giác đều nên C'BD^ = 60o.

Vậy AD',BD = 60o.

Trường hợp tổng quát, ta có định nghĩa sau:

Trong không gian, cho hai vectơ a,b khác 0 . Tích vô hướng của hai vectơ ab , kí hiệu a.b, là một số thực được xác định bởi công thức a.b= | a|.| b|.cos(a, b) ở đó

(a ,b) là góc giữa hai vectơ a,b.

Quy ước: Tích vô hướng của một vectơ bất kì với vectơ 0 bằng 0.

Chú ý:

Tích vô hướng của hai vectơ trong không gian có tính chất sau:

Với các vectơ bất kìa,b,c và số thực k tùy ý, ta có:

+ a. b = b . a (tính chất giao hoán);

+a .(b+ c) = a. b +a .c (tính chất phân phối);

+ (ka ).b = k(a . b) = a (kb);

+a2≥ 0, trong đó a2 = a .a . Ngoài ra, a2 = 0 ⇔ a= .0

Nếu a ,b là hai vectơ khác thì cos(a ,b ) = a.b|a|.|b| .

Ví dụ 7:

Cho tứ diện ABCD có các cạnh AB, AC, AD đôi một vuông góc và AB = AC = AD = 1. Gọi I là trung điểm của cạnh BC. Tính góc giữa vectơ AIDB.

Hướng dẫn giải:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Theo đề, ta có: |AB|=|AC|=|AD|= 1 và AB.AC=AC.AD=AD.AB = 0.

Ta có cos AI,DB = AI.DB|AI|.|DB| .

Mặt khác, do AI=12AB+ACDB=AB-AD

nên

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Lại có |AI|=22; |DB|=2.

Do đó cos AI,DB= AI.DB|AI|.|DB|=1222.2=12.

Vậy AI,DB= 60o

B. Bài tập Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian

Bài 1: Cho hình tứ diện ABCD có trọng tâm G, điểm O tùy ý. Mệnh đề nào sau đây là sai?

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Lời giải

Đáp án đúng là: D

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Vì G là trọng tâm của tứ diện ABCD nên ta có GA+GB+GC+GD=0.

Khi đó, với mọi vị trí điểm O, ta có: OA+OB+OC+OD=4OG .

Chọn O ≡ A, ta được: AA+AB+AC+AD=4AGAG=14AB+AC+AD .

Vậy mệnh đề sai là: AG=23AB+AC+AD .

Bài 2: Cho tứ diện ABCD có AB = AC = AD và BAC^=BAD^= 60o. Tính góc AB,CD .

Lời giải

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Ta có:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Mà AC = AD = AB ⇒ AB.CD = 0 ⇒ AB,CD = 90o.

Bài 3: Cho hình lập phương ABCD.A'B'C'D' có cạnh bằng a. Gọi G là trọng tâm của tam giác AB'C. Chứng minh BD'=3BG

Lời giải

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Cách 1: Gọi I là tâm của hình vuông ABCD

=⇒ I là trung điểm của BD.

Ta có: ∆BIG ∽ ∆ D'B'G

BGD'G=BID'B'=12BGBD'=13= ⇒ BD'=3BG=.

Cách 2: Theo quy tắc hình hộp, ta có: BA+BC+BB' = BD'. (1)

Do G là trọng tâm tam giác AB'C nên BA+BC+BB' = 3BG. (2)

Từ (1) và (2) suy ra: BD'=3BG.

⇒ đpcm.

Bài 4: Một chiếc ô tô được đặt trên mặt đáy dưới của một khung sắt có dạng hình hộp chữ nhật với đáy trên là hình chữ nhật ABCD, mặp phẳng (ABCD) song song với mặt phẳng nằm ngang. Khung sắt đó được buộc vào móc E của chiếc cần cẩu sao cho các đoạn dây cáp EA, EB, EC, ED có độ dài bằng nhau và cùng tạo với mặt phẳng (ABCD) một góc bằng 30o. Chiếc cần cẩu kéo khung sắt lên theo phương thẳng đứng.

Tính trọng lượng của chiếc xe ô tô (làm tròn trên hàng đơn vị). Biết rằng các lực căng F1,F2,F3;F4đều có cường độ là 4 500 N và trọng lượng của khung sắt là 2 500 N.

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Lời giải

Gọi A1; B1; C1; D1 lần lượt là các điểm sao cho:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Vì EA, EB, EC, ED có độ dài bằng nhau và cùng tạo với mặt phẳng (ABCD) một góc bằng 30o nên EA1, EB1, EC1, ED1 bằng nhau và cùng tạo với mặt phẳng (A1B1C1D1) một góc 30o.

Vì ABCD là hình chữ nhật nên A1B1C1D1 cũng là hình chữ nhật.

Gọi O là tâm của hình chữ nhật A1B1C1D1.

Suy ra EO ⊥ (A1B1C1D1).

Do đó, góc giữa đường thẳng EA1 và mặt phẳng (A1B1C1D1) bằng góc EA1O.

Suy ra EA1O^== 30­o.

Ta có: |F1=| = | F2=| = | F3=| = | F4=| = 4 500 (N)

Nên EA1 = EB1 = EC1 = ED1 = 4 500.

Tam giác EOA1 vuông tại O nên EO = EA1.sin EA1O^= = 4 500.sin30o = 2 250 (N).

Theo quy tắc ba điểm, ta có:

EA1=EO+OA1=, EB1=EO+OB1 =,

= EC1=EO+OC1ED1=EO+OD1=.

Vì O là trung điểm của A1C1 và B1D1 nên OA1+OC1=0 =, OB1+OD1=0 =.

Từ đó suy ra: EA1+EB1+EC1+ED1=4EO =.

F1+F2+F3+F4=4EO =.

Do đó, vì chiếc khung sắt chứa xe ô tô ở vị trí cân bằng nên F1+F2+F3+F4=P =, ở đó là trọng lực tác dụng lên khung sắt chứa xe ô tô.

Suy ra trọng lượng của khung sắt chứa chiếc xe ô tô là:

| P=| = 4| EO=| = 4. 2 250 = 9 000 (N).

Vì trọng lượng khung sắt là 2 500 N nên trọng lượng của chiếc ô tô là:

9 000 – 2 500 = 6 500 (N).

Bài 5: Cho hình lăng trụ ABC.A'B'C'. Vectơ u =A'A- AB+ AC bằng vectơ nào dưới đây?

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Lời giải

Đáp án đúng là: B

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

Ta có:

Vectơ và các phép toán vectơ trong không gian (Lý thuyết Toán lớp 12) | Cánh diều

1 211 16/08/2024


Xem thêm các chương trình khác: