Các dạng bài tập Phương trình mặt cầu chọn lọc, có đáp án - Toán lớp 12

Các dạng bài tập Phương trình mặt cầu chọn lọc, có đáp án

Với Các dạng bài tập Phương trình mặt cầu chọn lọc, có đáp án Toán lớp 12 tổng hợp các dạng bài tập, trên 100 bài tập trắc nghiệm có lời giải chi tiết với đầy đủ phương pháp giải, ví dụ minh họa sẽ giúp học sinh ôn tập, biết cách làm dạng bài tập Phương trình mặt cầu từ đó đạt điểm cao trong bài thi môn Toán lớp 12.

Các dạng bài tập Phương trình mặt cầu chọn lọc, có đáp án

Cách tìm tâm và bán kính mặt cầu

A. Phương pháp giải & Ví dụ

+ Phương trình (S): (x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R² là phương trình mặt cầu (S) có tâm I (a; b; c), bán kính R

+ Phương trình (S): x²+y²+z²-2ax-2by-2cz+d=0 thỏa mãn điều kiện a²+b²+c²-d>0 là phương trình mặt cầu tâm I (a; b; c); bán kính

Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải

Ví dụ minh họa

Bài 1: Trong không gian hệ trục tọa độ Oxyz, phương trình nào sau đây là phương trình mặt cầu, nếu là phương trình mặt cầu, hãy tìm tâm và bán kính của mặt cầu đó

a) (x-2)²+(y+3)²+z²=5

b) x²+y²+z²-2x+4y-6z+1=0

c) 3x²+3y²+3z²-6x+3y+21=0

Hướng dẫn:

a) Phương trình (x-2)²+(y+3)²+z²=5 có dạng

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R² nên là phương trình mặt cầu có tâm

I (2; -3; 0) và bán kính R=√5.

b) Phương trình x²+y²+z²-2x+4y-6z+1=0 có dạng

x²+y²+z²-2ax-2by-2cz+d=0 với a = 1; b = -2; c = 3, d = 1

⇒ a²+b²+c²-d=13>0

Vậy phương trình đã cho là phương trình mặt cầu có tâm I (1; -2; 3) và bán kính R=√13.

c) Phương trình 3x²+3y²+3z²-6x+3y+21=0

⇔ x²+y²+z²-2x+y+7=0

Phương trình có dạng x²+y²+z²-2ax-2by-2cz+d=0 với

a=1;b=(-1)/2;c=0;d=7 ⇒a²+b²+c²-d=(-23)/4<0

Vậy phương trình đã cho không phải là phương trình mặt cầu.

Bài 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, tìm m để mỗi phương trình sau là phương trình mặt cầu.

a) x²+y²+z²-2mx+2(m+1)y-4z+1=0

b) x²+y²+z²-2(m-3)x-4mz+8=0

Hướng dẫn:

a) Phương trình x²+y²+z²-2mx+2(m+1)y-4z+1=0 có

a=m;b=-(m+1); c=2;d=1.

Phương trình là phương trình mặt cầu ⇔ a²+b²+c²-d>0

⇔ m²+(m+1)²+2²-1>0⇔2m²+2m+3>0 ⇔m∈R.

b) Phương trình x²+y²+z²-2(m-3)x-4mz+8=0 có a=m-3;

b=0;c=2m;d=8

Phương trình là phương trình mặt cầu ⇔a²+b²+c²-d>0

⇔(m-3)²+4m²-8>0 ⇔5m²-6m+1>0

Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải

Bài 3: Trong không gian hệ trục tọa độ Oxyz, tìm tất cả các giá trị thực của tham số m để phương trình x²+y²+z²+2(m+2)x-2(m-3)z+m²-1=0 là phương trình của mặt cầu có bán kính nhỏ nhất.

Hướng dẫn:

Phương trình x²+y²+z²+2(m+2)x-2(m-3)z+m²-1=0 có:

a=-(m+2);b=0;c=m-3;d=m²-1

Phương trình là phương trình mặt cầu ⇔ a²+b²+c²-d>0

⇔ (m+2)²+(m-3)²-m²+1>0 ⇔ m²-2m+14>0 ⇔ m∈R.

Khi đó, bán kính mặt cầu là:

Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải

Dấu bằng xảy ra khi m = 1.

Vậy với m = 1 thì mặt cầu có bán kính nhỏ nhất R=√13.

Viết phương trình mặt cầu có tâm I và bán kính R

Phương pháp giải

Phương trình chính tắc của mặt cầu có tâm I (a; b; c) và bán kính R là:

(S): (x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R²

Ví dụ minh họa

Bài 1: Viết phương trình mặt cầu có tâm I (2; 3; -1) và có bán kính R = 5.

Hướng dẫn:

Phương trình chính tắc của mặt cầu có tâm I (a; b; c) và bán kính R là:

(S): (x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R²

Khi đó, phương trình mặt cầu có tâm I (2; 3; -1) và có bán kính R = 5 là:

(S): (x-2)²+(y-3)²+(z+1)²=25.

Bài 2: Viết phương trình mặt cầu có đường kính AB với A (4; -3; 7), B(2; 1; 3)

Hướng dẫn:

Gọi I là trung điểm của AB

Do AB là đường kính của mặt cầu I là tâm mặt của mặt cầu.

⇒ I(3; -1;5)

Bán kính mặt cầu là:

R=IA Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải = 3

Vậy phương trình mặt cầu có đường kính AB là:

(x-3)²+(y+1)²+(z-5)²=9

Chú ý: Để lập phương trình mặt cầu nhận AB là đường kính thì ta tìm tâm I là trung điểm của AB và bán kính R=AB/2

Bài 3: Viết phương trình mặt cầu có tâm I (3; -2; 2) và đi qua A(-2; 0; -1)

Hướng dẫn:

Vì mặt cầu (S) đi qua A nên (S) có bán kính

R=IA Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải =√38

Vậy phương trình mặt cầu có tâm I (3; -2; 2) và bàn kính R=√38 là:

(x-3)²+(y+2)²+(z-2)²=38

Chú ý: Để lập phương trình mặt cầu khi biết tâm I (a; b; c) và đi qua một điểm A cho trước thì ta tìm bán kính R = IA. Khi đó, phương trình mặt cầu (S) có dạng:

(S): (x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R²

Viết phương trình mặt cầu có tâm tiếp xúc mặt phẳng

Phương pháp giải

Do mặt cầu (S) tiếp xúc với mặt phẳng (P) nên khoảng cách từ tâm I đến mặt phẳng (P) bằng bán kính R

R=d(I;(P)) Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải

Khi đó, phương trình mặt cầu cần tìm là:

(S): (x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R²

Ví dụ minh họa

Bài 1: Viết phương trình mặt cầu có tâm I (1; -2; 0) và tiếp xúc với mặt phẳng (P): x + 2x + 2z – 5 = 0.

Hướng dẫn:

Khoảng cách từ I đến mặt phẳng (P) là:

d(I;(P)) Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải = 8/3

Do (P) tiếp xúc với mặt cầu (S) nên bán kính mặt cầu R=d(I;(P))=8/3

Khi đó, phương trình mặt cầu có tâm I (1; -2; 0) và tiếp xúc với (P) là:

(x-1)²+(y+2)²+z²=64/9

Bài 2: Viết phương trình mặt cầu có tâm I (3; -1; -2) và tiếp xúc với mặt phẳng (Oxy)

Hướng dẫn:

Phương trình mặt phẳng (Oxy) là: z = 0

Khoảng cách từ I đến mặt phẳng Oxy là:

d(I;(Oxy))=|-2|/√(1² )=2

Phương trình mặt cầu có tâm I (3; -1; -2) và tiếp xúc với mặt phẳng (Oxy) là:

(x-3)²+(y+1)²+(z+2)²=4

Bài 3: Cho 4 điểm A (3; -2; -2), B (3; 2; 0), C (0; 2; 1) và D (-1; 1; 2). Viết phương trình mặt cầu tâm A và tiếp xúc với mặt phẳng (BCD).

Hướng dẫn:

BC→=(-3;0;1); BD→=(-4; -1;2)

⇒ [BC→ , BD→ ]=(1;2;3)

⇒ Vecto pháp tuyến của mặt phẳng (BCD) là: n→ =(1;2;3)

Phương trình mặt phẳng (BCD) có VPPT n→=(1;2;3) và đi qua điểm B(3; 2; 0) là: x-3+2(y-2)+3z=0

⇔ x+2y+3z-7=0

Khoảng cách từ A đến mặt phẳng (BCD) là:

d(A;(BCD)) Các dạng bài tập Toán lớp 12 ôn thi THPT Quốc gia có lời giải = √14

Khi đó, phương trình mặt cầu tâm A và tiếp xúc với (BCD) là:

(x-3)²+(y+2)²+(z+2)²=14

Xem thêm các dạng bài tập Toán lớp 12 chọn lọc, có đáp án hay khác:

❮ Bài trước Bài sau ❯