Toán 12 · Chương II. Vectơ và hệ trục toạ độ trong không gian
Bài 7. Hệ trục toạ độ trong không gian
Gắn cho mỗi điểm trong không gian một bộ ba số thực: toạ độ của điểm, vectơ, trung điểm, tâm và khoảng cách.
Nhớ nhanh
AB lấy toạ độ điểm cuối trừ điểm xuất phát: B−A.
Khoảng cách và độ dài dùng cùng công thức: căn của tổng bình phương hiệu các toạ độ.
Trung điểm: trung bình cộng từng cặp toạ độ tương ứng.
Cosin góc với trục bằng toạ độ chia cho độ dài vectơ; tổng bình phương ba cosin bằng 1.
cosγ=0 thì vectơ vuông góc với trục Oz (có dạng (a;b;0)); cosγ=1 thì vectơ cùng hướng với k.
1. Hệ trục toạ độ trong không gian
Định nghĩa
Hệ trục toạ độOxyz gồm ba trục Ox,Oy,Oz cùng vuông góc từng đôi một và có chung gốc O. Ba vectơ đơn vị i,j,k lần lượt chỉ chiều dương của Ox,Oy,Oz. Hệ trục này còn gọi là hệ toạ độ Oxyz; O là gốc toạ độ; các mặt phẳng (Oxy), (Oyz), (Ozx) là các mặt phẳng toạ độ.
Với mọi điểm M, tồn tại duy nhất bộ ba số (x;y;z) sao cho
OM=xi+yj+zk.
Ba số x,y,z gọi là toạ độ của điểmM (hoành độ, tung độ, cao độ), kí hiệu M(x;y;z).
Lưu ý
Với M(x;y;z): hình chiếu vuông góc của M trên các trục Ox, Oy, Oz lần lượt là (x;0;0), (0;y;0), (0;0;z); trên các mặt phẳng (Oxy), (Oyz), (Ozx) lần lượt là (x;y;0), (0;y;z), (x;0;z).
2. Toạ độ của điểm và của vectơ
Định nghĩa
Cho u=ai+bj+ck. Ba số a,b,c gọi là toạ độ của vectơu, viết u=(a;b;c). Toạ độ của u chính là toạ độ của điểm M sao cho OM=u.
Hai vectơ bằng nhau
u=(a;b;c) và v=(a′;b′;c′) bằng nhau khi và chỉ khi a=a′,b=b′,c=c′. Vì vậy vectơ được xác định bởi toạ độ của nó, không phụ thuộc vị trí đặt.
Định nghĩa
Cho A(xA;yA;zA), B(xB;yB;zB). Khi đó
AB=(xB−xA;yB−yA;zB−zA).
Độ dài vectơ:
AB=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2.
Khoảng cách giữa hai điểm:
AB=(xB−xA)2+(yB−yA)2+(zB−zA)2.
Định nghĩa
Cho u=(a;b;c), v=(a′;b′;c′), số thực k. Khi đó
u+v=(a+a′;b+b′;c+c′),ku=(ka;kb;kc).
Lưu ý
Trung điểm I của đoạn AB có toạ độ
I(2xA+xB;2yA+yB;2zA+zB).
Định nghĩa
Cho u=(a;b;c) với u=0. Gọi α,β,γ là các góc hợp bởi vectơ u và các tia Ox,Oy,Oz. Khi đó
cosα=∣u∣a,cosβ=∣u∣b,cosγ=∣u∣c,
với ∣u∣=a2+b2+c2, và
cos2α+cos2β+cos2γ=1.
Lưu ý
u=0 có cosα=1 thì u cùng hướng với i.
u=0 có cosα=cosβ=0 thì u=(0;0;c), tức u cùng phương với Oz.
Với u=0, cosα=0⇔a=0, tức u vuông góc với Ox.
3. Ví dụ minh hoạ
Ví dụ 1
Cho A(1;−2;3) và B(4;0;−5). Tính toạ độ vectơ AB, độ dài AB và toạ độ trung điểm I của AB.
Lời giải · 3 bước
Ta có
AB=(4−1;0−(−2);−5−3)=(3;2;−8).
Bước 2
Suy ra
AB=32+22+(−8)2=9+4+64=77.
Bước 3
Trung điểm:
I(21+4;2−2+0;23+(−5))=(25;−1;−1).
Ví dụ 2
Trong không gian Oxyz, cho a=(2;−1;3) và b=(−4;5;1). Tính 2a−b và độ dài của vectơ đó.
Lời giải · 3 bước
Ta có
2a=(4;−2;6).
Bước 2
Do đó
2a−b=(4−(−4);−2−5;6−1)=(8;−7;5).
Bước 3
Độ dài:
∣2a−b∣=82+(−7)2+52=64+49+25=138.
Ví dụ 3
Vectơ u=(1;2;−2). Tìm cosin của các góc hợp với các trục toạ độ.
Lời giải · 2 bước
Ta có ∣u∣=12+22+(−2)2=9=3. Vậy
cosα=31,cosβ=32,cosγ=3−2.
Bước 2
Kiểm tra:
cos2α+cos2β+cos2γ=91+94+94=1.
Ví dụ 4
Cho A(2;3;−1). Tìm điểm B sao cho I(−1;4;5) là trung điểm của AB.
Lời giải · 3 bước
Gọi B(x;y;z). Vì I là trung điểm của AB nên
22+x=−1;23+y=4;2−1+z=5.
Bước 2
Suy ra
x=−4,y=5,z=11.
Bước 3
Vậy B(−4;5;11).
Ví dụ 5
Một máy bay cách sân bay 5 km theo phương Đông, 12 km theo phương Bắc và lên cao 3 km. Tính khoảng cách từ máy bay đến sân bay, coi sân bay là gốc toạ độ.
Lời giải
Lấy gốc toạ độ tại sân bay, các trục lần lượt chỉ phương Đông, Bắc và lên cao. Khi đó M(5;12;3). Khoảng cách đến sân bay chính là OM: