Giải chi tiết Câu hỏi Luyện tập 9 trang 47 SGK Toán 12 Kết nối tri thức – Bài 15. Phương trình đường thẳng trong không gian. Gợi ý: Sử dụng kiến thức về vị trí tương đối của hai đường thẳng để chứng minh: Trong không gian Oxyz.
Câu hỏi/Đề bài:
Trong không gian Oxyz, cho hai đường thẳng \({\Delta _1}:\frac{{x – 1}}{1} = \frac{{y + 2}}{1} = \frac{{z – 3}}{4}\) và \({\Delta _2}:\frac{{x + 1}}{1} = \frac{{y + 1}}{1} = \frac{z}{4}\). Chứng minh rằng:
a) Hai đường thẳng \({\Delta _1}\) và \({\Delta _2}\) song song với nhau;
b) Đường thẳng \({\Delta _1}\) và trục Ox chéo nhau;
c) Đường thẳng \({\Delta _2}\) trùng với đường thẳng \({\Delta _3}:\frac{{x + 2}}{1} = \frac{{y + 2}}{1} = \frac{{z + 4}}{4}\);
d) Đường thẳng \({\Delta _2}\) cắt trục Oz.
Hướng dẫn:
Sử dụng kiến thức về vị trí tương đối của hai đường thẳng để chứng minh: Trong không gian Oxyz, cho hai đường thẳng \({\Delta _1},{\Delta _2}\) lần lượt đi qua các điểm \({A_1}\left( {{x_1};{y_1};{z_1}} \right),{A_2}\left( {{x_2};{y_2};{z_2}} \right)\) và tương ứng có vectơ chỉ phương \(\overrightarrow {{u_1}} = \left( {{a_1};{b_1};{c_1}} \right),\overrightarrow {{u_2}} = \left( {{a_2};{b_2};{c_2}} \right)\). Khi đó:
\({\Delta _1}//{\Delta _2} \Leftrightarrow \) \(\overrightarrow {{u_1}} \) cùng phương với \(\overrightarrow {{u_2}} \) và \({A_1}\not \in {\Delta _2}\)
\({\Delta _1} \equiv {\Delta _2} \Leftrightarrow \) \(\overrightarrow {{u_1}} \) cùng phương với \(\overrightarrow {{u_2}} \) và \({A_1} \in {\Delta _2}\)
\({\Delta _1}\) và \({\Delta _2}\) chéo nhau \( \Leftrightarrow \overrightarrow {{A_1}{A_2}} .\left[ {\overrightarrow {{u_1}} ,\overrightarrow {{u_2}} } \right] \ne 0\)
\({\Delta _1}\) và \({\Delta _2}\) cắt nhau \( \Leftrightarrow \left\{ \begin{array}{l}\left[ {\overrightarrow {{u_1}} ,\overrightarrow {{u_2}} } \right] \ne \overrightarrow 0 \\\overrightarrow {{A_1}{A_2}} .\left[ {\overrightarrow {{u_1}} ,\overrightarrow {{u_2}} } \right] = 0\end{array} \right.\)
Lời giải:
Đường thẳng \({\Delta _1}\) đi qua điểm \({A_1}\left( {1; – 2;3} \right)\) và có một vectơ chỉ phương \(\overrightarrow {{u_1}} = \left( {1;1;4} \right)\).
Đường thẳng \({\Delta _2}\) đi qua điểm \({A_2}\left( { – 1; – 1;0} \right)\) và có một vectơ chỉ phương \(\overrightarrow {{u_2}} = \left( {1;1;4} \right)\).
a) Vì \(\overrightarrow {{u_1}} = \overrightarrow {{u_2}} \) nên \(\overrightarrow {{u_1}} \) cùng phương với \(\overrightarrow {{u_2}} \).
Lại có: \(\frac{{1 + 1}}{1} \ne \frac{{ – 2 + 1}}{1}\) nên điểm \({A_1}\left( {1; – 2;3} \right)\) không thuộc đường thẳng \({\Delta _2}\).
Do đó, hai đường thẳng \({\Delta _1},{\Delta _2}\) song song với nhau.
b) Trục Ox có một vectơ chỉ phương \(\overrightarrow i = \left( {1;0;0} \right)\) và đi qua điểm O(0;0;0).
Ta có: \(\left[ {\overrightarrow {{u_1}} ;\overrightarrow i } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}1&4\\0&0\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}4&1\\0&1\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}1&1\\1&0\end{array}} \right|} \right) = \left( {0;4; – 1} \right)\), \(\overrightarrow {{A_1}O} \left( { – 1;2; – 3} \right)\)
Vì \(\overrightarrow {{A_1}O} .\left[ {\overrightarrow {{u_1}} ;\overrightarrow i } \right] = – 1.0 + 2.4 – 3.\left( { – 1} \right) = 11 \ne 0\) nên \({\Delta _1}\) và Ox chéo nhau.
c) Đường thẳng \({\Delta _3}\) có một vectơ chỉ phương \(\overrightarrow {{u_3}} = \left( {1;1;4} \right)\).
Vì \(\overrightarrow {{u_3}} = \overrightarrow {{u_2}} \) nên \(\overrightarrow {{u_3}} \) cùng phương với \(\overrightarrow {{u_2}} \).
Lại có: \(\frac{{ – 1 + 2}}{1} = \frac{{ – 1 + 2}}{1} = \frac{{0 + 4}}{4}\) nên điểm \({A_2}\left( { – 1; – 1;0} \right)\) thuộc đường thẳng \({\Delta _3}\).
Do đó, đường thẳng \({\Delta _2}\) trùng với đường thẳng \({\Delta _3}\).
d) Trục Oz có một vectơ chỉ phương \(\overrightarrow k = \left( {0;0;1} \right)\) và đi qua điểm O(0;0;0)
Ta có: \(\left[ {\overrightarrow {{u_2}} ,\overrightarrow k } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}1&4\\0&1\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}4&1\\1&0\end{array}} \right|,\left| {\begin{array}{*{20}{c}}1&1\\0&0\end{array}} \right|} \right) = \left( {1; – 1;0} \right)\), \(\overrightarrow {{A_2}O} \left( {1;1;0} \right)\)
Vì \(\overrightarrow {{A_2}O} .\left[ {\overrightarrow {{u_2}} ,\overrightarrow k } \right] = 1.1 – 1.1 – 0.0 = 0\) và \(\left[ {\overrightarrow {{u_2}} ,\overrightarrow k } \right] = \left( {1; – 1;0} \right) \ne \overrightarrow 0 \) nên \({\Delta _2}\) cắt trục Oz.