Hệ tọa độ trong không gian (phương trình mặt cầu)
1. Kiến thức cần nhớ
- Dạng 1: Phương trình chính tắc của mặt cầu tâm I(a;b;c) và bán kính R là:
(x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2 (1)
- Dạng 2: Phương trình tổng quát của mặt cầu x2+y2+z2+2ax+2by+2cz+d=0 (2)
Phương trình (2) có tâm I(−a;−b;−c) và bán kính R=√a2+b2+c2−d.
Do đó điều kiện cần và đủ để (2) là phương trình mặt cầu là a2+b2+c2−d>0
2. Một số dạng toán thường gặp
Dạng 1: Nhận biết các yếu tố từ phương trình mặt cầu.
Phương pháp:
Sử dụng định nghĩa tâm và bán kính mặt cầu:
- Mặt cầu có phương trình dạng (x−a)2+(y−b)2+(z−c)2=R2 có tâm (a;b;c) và bán kính R.
- Mặt cầu có phương trình dạng x2+y2+z2+2ax+2by+2cz+d=0 có tâm I(−a;−b;−c) và bán kính R=√a2+b2+c2−d.
Dạng 2: Viết phương trình mặt cầu.
Phương pháp chung:
Cách 1: Sử dụng phương trình mặt cầu dạng chính tắc.
- Tìm tâm và bán kính mặt cầu, từ đó viết phương trình theo dạng 1 nêu ở trên.
Cách 2: Sử dụng phương trình mặt cầu dạng tổng quát.
- Gọi mặt cầu có phương trình x2+y2+z2+2ax+2by+2cz+d=0
- Sử dụng điều kiện bài cho để tìm a,b,c,d.
Một số bài toán hay gặp:
- Viết phương trình mặt cầu với tâm và bán kính đã cho.
- Mặt cầu có đường kính AB: tâm là trung điểm của AB và bán kính R=AB2.
- Mặt cầu đi qua 4 điểm A,B,C,D:
* Cách 1:
+) Gọi mặt cầu có phương trình x2+y2+z2+2ax+2by+2cz+d=0
+) Thay tọa độ các điểm bài cho vào phương trình và tìm a,b,c,d.
*Cách 2:
+) Gọi I(a,b,c) là tâm của mặt cầu.
+) Lập hệ phương trình
{IA=IBIA=ICIA=ID
tìm a,b,c.
+) Bán kính R=IA.
* Cách 3:
+) Tìm mặt phẳng trung trực của các đoạn thẳng AB,AC,AD. Mặt phẳng trung trực của AB đi qua trung điểm của AB và nhận →AB làm một vectơ pháp tuyến.
+) Tâm I của mặt cầu là giao của 3 mặt phẳng đó.
+) Bán kính R=IA.
Dạng 3: Tìm tham số để mặt cầu thỏa mãn điều kiện cho trước.
- Mặt cầu đi qua một điểm nếu tọa độ điểm đó thỏa mãn phương trình mặt cầu.