Toán 12 · Chương V. Phương pháp toạ độ trong không gian
Bài 17. Phương trình mặt cầu
Toạ độ hoá định nghĩa hình học: điểm M cách tâm I một khoảng cách cố định. Từ đó suy ra phương trình chính tắc và phương trình tổng quát của mặt cầu.
Nhớ nhanh
Mặt cầu tâm I(a;b;c), bán kính R có phương trình:
(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2.
Dạng tổng quát sau khi phân tích bậc hai:
x2+y2+z2−2ax−2by−2cz+d=0,
với tâm I(a;b;c) và R=a2+b2+c2−d.
Điểm M thuộc mặt cầu khi và chỉ khi toạ độ của M thỏa mãn phương trình mặt cầu.
So sánh vị trí bằng cách tính MI2 với R2:
MI2>R2⇒ngoaˋi;MI2=R2⇒treˆn;MI2<R2⇒trong.
Khi toạ độ hoá, luôn xác định rõ tâm, bán kính; nếu chưa biết bán kính thì dùng khoảng cách từ tâm đến một điểm đã cho.
Tự kiểm tra
Cho mặt cầu
(x+2)2+(y−1)2+(z−3)2=25.
Hãy xác định tâm, bán kính và kiểm tra điểm M(0;2;−1) có thuộc mặt cầu hay không.
Đáp số:I(−2;1;3), R=5; MI2=4+1+16=21<25 nên M không thuộc mặt cầu (nằm trong mặt cầu).
1. Mặt cầu và phương trình chính tắc
Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, mỗi điểm được xác định bởi ba toạ độ. Khoảng cách giữa hai điểm
M(x;y;z),I(a;b;c)
là
MI=(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2.
Định nghĩa
Cho điểm I(a;b;c) và số dương R. Mặt cầu tâm I, bán kính R, kí hiệu S(I;R), là tập hợp mọi điểm M(x;y;z) trong không gian sao cho
MI=R.
Định lí (phương trình mặt cầu).
Mặt cầu tâm I(a;b;c), bán kính R>0 có phương trình
(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2.(1)
Ngược lại, mọi phương trình có dạng (1) luôn là phương trình của một mặt cầu, với tâm I(a;b;c) và bán kính R.
Dạng (1) gọi là phương trình chính tắc của mặt cầu.
Các bước viết phương trình mặt cầu khi biết tâm và bán kính
1.
Xác định toạ độ tâm I(a;b;c).
2.
Xác định bán kính R.
3.
Thay vào (x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2.
2. Phương trình tổng quát
Khai triển phương trình chính tắc (1):
(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2−R2=0,
hay
x2+y2+z2−2ax−2by−2cz+(a2+b2+c2−R2)=0.
Đặt d=a2+b2+c2−R2, ta được
x2+y2+z2−2ax−2by−2cz+d=0,(2)
trong đó điều kiện để (2) là phương trình của một mặt cầu là
a2+b2+c2−d>0.
Từ phương trình (2), bằng cách hoàn thành bình phương, ta nhận được:
(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=a2+b2+c2−d.
Nhận dạng mặt cầu từ phương trình tổng quát
Nếu phương trình có dạng
x2+y2+z2−2ax−2by−2cz+d=0
thì tâm và bán kính lần lượt là
I(a;b;c),R=a2+b2+c2−d.
Nếu a2+b2+c2−d>0 thì phương trình xác định một mặt cầu.
Lưu ý
Nếu a2+b2+c2−d=0 thì vế phải của biểu thức bình phương bằng 0, phương trình chỉ xác định một điểm I(a;b;c), không phải mặt cầu.
Nếu a2+b2+c2−d<0 thì vế phải là số âm, không có điểm nào thoả mãn phương trình.
Khi gặp phương trình có hệ số của x2,y2,z2 bằng nhau nhưng khác 1, ta chia hai vế cho hệ số chung để đưa về dạng chuẩn rồi hoàn thành bình phương.
3. Vị trí điểm so với mặt cầu
Cho mặt cầu S(I;R) có phương trình
(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2
và điểm M(x0;y0;z0). Đặt
D=(x0−a)2+(y0−b)2+(z0−c)2,
tức D=MI2. Ta có bảng xét vị trí sau:
Điều kiện
So sánh điểm M với mặt cầu
Ý nghĩa
D>R2
M nằm ngoài mặt cầu
Khoảng cách đến tâm lớn hơn bán kính
D=R2
M thuộc mặt cầu
M thỏa mãn phương trình mặt cầu
D<R2
M nằm trong mặt cầu
Khoảng cách đến tâm nhỏ hơn bán kính
4. Ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1
Viết phương trình mặt cầu tâm I(1;−2;3) và đi qua điểm A(4;0;3).
Lời giải · 2 bước
Bán kính của mặt cầu là
R=IA=(4−1)2+(0+2)2+(3−3)2=32+22+02=13.
Bước 2
Vậy phương trình mặt cầu là
(x−1)2+(y+2)2+(z−3)2=13.
Ví dụ 2
Cho phương trình
x2+y2+z2−2x+4y−2z−3=0.
Xác định tâm, bán kính của mặt cầu. Xét vị trí của các điểm M(2;0;2) và N(1;−5;2) so với mặt cầu.
Lời giải · 8 bước
Phương trình có dạng như (2) với tâm I(a;b;c). Xác định toạ độ tâm:
I(1;−2;1).
Bước 2
Ta cũng có d=−3. Khi đó
R2=a2+b2+c2−d=12+(−2)2+12−(−3)=1+4+1+3=9,
Bước 3
nên
R=3.
Bước 4
Vậy mặt cầu có tâm I(1;−2;1) và bán kính R=3.
Bước 5
Xét điểm M(2;0;2):
MI2=(2−1)2+(0+2)2+(2−1)2=1+4+1=6<9=R2.
Bước 6
Suy ra M nằm trong mặt cầu.
Bước 7
Xét điểm N(1;−5;2):
NI2=(1−1)2+(−5+2)2+(2−1)2=0+9+1=10>9=R2.
Bước 8
Suy ra N nằm ngoài mặt cầu.
Ví dụ 3
Một trạm phát sóng được đặt tại tâm trạm I(0;0;0) và phủ sóng đều trong phạm vi cách tâm không quá 8 km. Lấy toạ độ theo đơn vị kilomet. Điểm nhận M có toạ độ (4;4;6) có nằm trong vùng phủ sóng không?
Lời giải · 3 bước
Vùng phủ sóng là phần không gian bên trong và trên mặt cầu tâm I(0;0;0), bán kính R=8 km, có phương trình
x2+y2+z2=64.
Bước 2
Khoảng cách từ M đến I là
MI=42+42+62=16+16+36=68≈8,25km.
Bước 3
Vì 68>8 nên điểm M nằm ngoài mặt cầu, tức là ngoài vùng phủ sóng.
Trường hợp mặt cầu có đường kính AB
Nếu A(xA;yA;zA) và B(xB;yB;zB) là hai đầu mút của một đường kính thì điểm M(x;y;z) thuộc mặt cầu khi và chỉ khi
(x−xA)(x−xB)+(y−yA)(y−yB)+(z−zA)(z−zB)=0.
Đây chính là điều kiện MA⋅MB=0. Cách thường dùng: tâm là trung điểm I của AB, bán kính R=2AB.