🛠️ Công cụ

Bài 6: Vectơ trong không gian

Lý thuyết chi tiết và các dạng bài tập về vectơ trong không gian — Toán 12 Kết nối tri thức.

📖 Lý thuyết ✍️ Dạng toán & bài tập 🎯 Trắc nghiệm

I. Lý thuyết

1. Khái niệm vectơ trong không gian

  • Định nghĩa: Vectơ trong không gian là một đoạn thẳng có hướng.
  • Kí hiệu: a,b\vec{a}, \vec{b} hoặc AB\vec{AB} (điểm đầu AA, điểm cuối BB).
  • Độ dài: Độ lớn của đoạn thẳng ABAB, kí hiệu AB=AB|\vec{AB}| = AB.
  • Vectơ-không: Vectơ có điểm đầu trùng điểm cuối, kí hiệu 0\vec{0}.
  • Hai vectơ cùng phương: Nếu giá của chúng song song hoặc trùng nhau.
  • Hai vectơ bằng nhau: Nếu chúng cùng hướng và cùng độ dài.

2. Các phép toán vectơ

  • Phép cộng:
    • Quy tắc ba điểm: AB+BC=AC\vec{AB} + \vec{BC} = \vec{AC}.
    • Quy tắc hình bình hành: Nếu ABCDABCD là hình bình hành thì AB+AD=AC\vec{AB} + \vec{AD} = \vec{AC}.
  • Quy tắc hình hộp: Nếu ABCD.ABCDABCD.A'B'C'D' là hình hộp thì: AB+AD+AA=AC\vec{AB} + \vec{AD} + \vec{AA'} = \vec{AC'}
  • Phép trừ: ABAC=CB\vec{AB} - \vec{AC} = \vec{CB}.
  • Nhân vectơ với một số: Kết quả của kak\vec{a} là một vectơ:
    • Cùng hướng với a\vec{a} nếu k>0k > 0, ngược hướng nếu k<0k < 0.
    • Độ dài: ka=ka|k\vec{a}| = |k| \cdot |\vec{a}|.

3. Tích vô hướng của hai vectơ

  • Góc giữa hai vectơ: Cho a,b0\vec{a}, \vec{b} \ne \vec{0}. OA=a,OB=b\vec{OA} = \vec{a}, \vec{OB} = \vec{b}. Góc AOB^[0;180]\widehat{AOB} \in [0^\circ; 180^\circ] là góc giữa a\vec{a}b\vec{b}.
  • Công thức tích vô hướng: ab=abcos(a,b)\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}| \cdot |\vec{b}| \cdot \cos(\vec{a}, \vec{b})
  • Tính chất:
    • abab=0\vec{a} \perp \vec{b} \Leftrightarrow \vec{a} \cdot \vec{b} = 0.
    • a2=a2\vec{a}^2 = |\vec{a}|^2.

🔷 Dạng 1: Các phép toán vectơ cơ bản và độ dài

📌 Phương pháp giải

Phương pháp:

  • Sử dụng quy tắc 3 điểm, hình bình hành hoặc quy tắc hình hộp để thu gọn biểu thức.
  • Để tính độ dài u|\vec{u}|, ta thường tính u2\vec{u}^2 hoặc sử dụng các hệ thức lượng trong tam giác.
🔍 Ví dụ 1 (Dễ)

Cho tứ diện ABCDABCD. Chứng minh rằng AB+CD=AD+CB\vec{AB} + \vec{CD} = \vec{AD} + \vec{CB}.

💡 Xem lời giải

Ta có: AD+CB=(AB+BD)+(CD+DB)\vec{AD} + \vec{CB} = (\vec{AB} + \vec{BD}) + (\vec{CD} + \vec{DB}) =AB+CD+(BD+DB)=AB+CD+0=AB+CD= \vec{AB} + \vec{CD} + (\vec{BD} + \vec{DB}) = \vec{AB} + \vec{CD} + \vec{0} = \vec{AB} + \vec{CD} (đpcm).

🔍 Ví dụ 2 (Dễ)

Cho hình lập phương ABCD.ABCDABCD.A'B'C'D' cạnh aa. Tính AB+AD+AA|\vec{AB} + \vec{AD} + \vec{AA'}|.

💡 Xem lời giải

Theo quy tắc hình hộp: AB+AD+AA=AC\vec{AB} + \vec{AD} + \vec{AA'} = \vec{AC'}. ACAC' là đường chéo hình lập phương AC=a3\Rightarrow AC' = a\sqrt{3}. Vậy độ dài cần tìm là a3a\sqrt{3}.

🔍 Ví dụ 3 (Trung bình)

Cho hình chóp S.ABCDS.ABCD có đáy ABCDABCD là hình bình hành tâm OO. Chứng minh SA+SC=SB+SD=2SO\vec{SA} + \vec{SC} = \vec{SB} + \vec{SD} = 2\vec{SO}.

💡 Xem lời giải

OO là trung điểm ACAC nên SA+SC=2SO\vec{SA} + \vec{SC} = 2\vec{SO}. Vì OO là trung điểm BDBD nên SB+SD=2SO\vec{SB} + \vec{SD} = 2\vec{SO}. Suy ra SA+SC=SB+SD\vec{SA} + \vec{SC} = \vec{SB} + \vec{SD} (đpcm).

🔍 Ví dụ 4 (Trung bình)

Cho tứ diện ABCDABCD. Gọi M,NM, N lần lượt là trung điểm AB,CDAB, CD. Chứng minh MN=12(AC+BD)\vec{MN} = \frac{1}{2}(\vec{AC} + \vec{BD}).

💡 Xem lời giải

Ta có: MN=MA+AC+CN\vec{MN} = \vec{MA} + \vec{AC} + \vec{CN} (1) MN=MB+BD+DN\vec{MN} = \vec{MB} + \vec{BD} + \vec{DN} (2) Cộng (1) và (2): 2MN=(MA+MB)+(AC+BD)+(CN+DN)2\vec{MN} = (\vec{MA} + \vec{MB}) + (\vec{AC} + \vec{BD}) + (\vec{CN} + \vec{DN}). Do M,NM, N là trung điểm nên MA+MB=0\vec{MA} + \vec{MB} = \vec{0}CN+DN=0\vec{CN} + \vec{DN} = \vec{0}. Vậy MN=12(AC+BD)\vec{MN} = \frac{1}{2}(\vec{AC} + \vec{BD}).

🔍 Ví dụ 5 (Khó)

Cho hình hộp ABCD.ABCDABCD.A'B'C'D'. Tìm điểm MM sao cho MA+MB+MC+MD+MA+MB+MC+MD=0\vec{MA} + \vec{MB} + \vec{MC} + \vec{MD} + \vec{MA'} + \vec{MB'} + \vec{MC'} + \vec{MD'} = \vec{0}.

💡 Xem lời giải

Gọi GG là tâm của hình hộp. Ta biết tâm hình hộp là trung điểm của các đường chéo (như AC,BDAC', BD'…). Tổng các vectơ từ điểm GG đến 8 đỉnh của hình hộp luôn bằng 0\vec{0}. Thật vậy: (GA+GC)+(GB+GD)+=0+0+=0(\vec{GA} + \vec{GC'}) + (\vec{GB} + \vec{GD'}) + \dots = \vec{0} + \vec{0} + \dots = \vec{0}. Vậy MM trùng với tâm GG của hình hộp.

📝 Thực hành — Dạng 1

Trong các khẳng định sau về quy tắc hình hộp $ABCD.A'B'C'D'$, khẳng định nào đúng?
Cho tứ diện $ABCD$. Gọi $G$ là trọng tâm tam giác $BCD$. Khi đó $\vec{AB} + \vec{AC} + \vec{AD}$ bằng:
Cho hình lập phương $ABCD.A'B'C'D'$ cạnh $a$. Độ dài vectơ $\vec{AB} - \vec{AD}$ bằng:
Đúng / SaiCho tứ diện $ABCD$. Xét tính đúng sai của các mệnh đề sau:
a)$ ec{AB} + ec{BC} + ec{CD} = ec{AD}$
b)$ ec{AB} - ec{AD} = ec{BD}$
c)Nếu $M$ là trung điểm $AB$ thì $ ec{MA} + ec{MB} = ec{0}$
d)$ ec{AB} + ec{CD} = ec{AC} + ec{BD}$
Cho hình lập phương $ABCD.A'B'C'D'$ cạnh 1. Tính độ dài vectơ $\vec{u} = \vec{AB} + \vec{AD} + \vec{AA'}$.

🔷 Dạng 2: Phân tích vectơ và Điều kiện đồng phẳng/Cùng phương

📌 Phương pháp giải

Phương pháp:

  • Phân tích một vectơ theo 3 vectơ không đồng phẳng a,b,c\vec{a}, \vec{b}, \vec{c}.
  • Điều kiện để a,b,c\vec{a}, \vec{b}, \vec{c} đồng phẳng: c=ma+nb\vec{c} = m\vec{a} + n\vec{b}.
  • Điều kiện 3 điểm A,B,CA, B, C thẳng hàng: AB=kAC\vec{AB} = k\vec{AC}.
🔍 Ví dụ 1 (Dễ)

Cho hình hộp ABCD.ABCDABCD.A'B'C'D'. Phân tích AC\vec{AC'} theo a=AB,b=AD,c=AA\vec{a} = \vec{AB}, \vec{b} = \vec{AD}, \vec{c} = \vec{AA'}.

💡 Xem lời giải

Áp dụng quy tắc hình hộp trực tiếp: AC=AB+AD+AA=a+b+c\vec{AC'} = \vec{AB} + \vec{AD} + \vec{AA'} = \vec{a} + \vec{b} + \vec{c}.

🔍 Ví dụ 2 (Trung bình)

Cho tứ diện ABCDABCD. Gọi GG là trọng tâm tứ diện. Phân tích AG\vec{AG} theo AB,AC,AD\vec{AB}, \vec{AC}, \vec{AD}.

💡 Xem lời giải

Trọng tâm GG của tứ diện thỏa mãn: GA+GB+GC+GD=0\vec{GA} + \vec{GB} + \vec{GC} + \vec{GD} = \vec{0}. GA+(GA+AB)+(GA+AC)+(GA+AD)=0\Rightarrow \vec{GA} + (\vec{GA} + \vec{AB}) + (\vec{GA} + \vec{AC}) + (\vec{GA} + \vec{AD}) = \vec{0} 4GA+AB+AC+AD=0\Rightarrow 4\vec{GA} + \vec{AB} + \vec{AC} + \vec{AD} = \vec{0} AG=14(AB+AC+AD)\Rightarrow \vec{AG} = \frac{1}{4}(\vec{AB} + \vec{AC} + \vec{AD}).

🔍 Ví dụ 3 (Trung bình)

Cho hình chóp S.ABCS.ABC. Gọi MM là trung điểm SBSB, NN là điểm trên SCSC sao cho SC=3SNSC = 3SN. Phân tích AM\vec{AM} theo SA,SB\vec{SA}, \vec{SB}.

💡 Xem lời giải

AM=AS+SM=SA+12SB\vec{AM} = \vec{AS} + \vec{SM} = -\vec{SA} + \frac{1}{2}\vec{SB}.

🔍 Ví dụ 4 (Khó)

Cho tứ diện ABCDABCD. Gọi M,NM, N là các điểm thỏa mãn AM=13AB,AN=13AC\vec{AM} = \frac{1}{3}\vec{AB}, \vec{AN} = \frac{1}{3}\vec{AC}. Chứng minh MN//BCMN // BC.

💡 Xem lời giải

Ta có MN=ANAM=13AC13AB=13(ACAB)=13BC\vec{MN} = \vec{AN} - \vec{AM} = \frac{1}{3}\vec{AC} - \frac{1}{3}\vec{AB} = \frac{1}{3}(\vec{AC} - \vec{AB}) = \frac{1}{3}\vec{BC}. Vì MN=13BC\vec{MN} = \frac{1}{3}\vec{BC} nên MN\vec{MN} cùng phương với BC\vec{BC}, suy ra MN//BCMN // BC.

📝 Thực hành — Dạng 2

Cho hình hộp $ABCD.A'B'C'D'$. Vectơ $\vec{BD'}$ bằng:
Đúng / SaiCho tứ diện $ABCD$. Gọi $M$ là trung điểm $BC$. Xét tính đúng sai:
a)$ ec{AM} = rac{1}{2}( ec{AB} + ec{AC})$
b)$ ec{DM} = rac{1}{2}( ec{DB} + ec{DC})$
c)$ ec{AD} + ec{BC} = ec{AC} + ec{BD}$
d)$ ec{AB}, ec{AC}, ec{AD}$ là 3 vectơ đồng phẳng
Cho hình hộp $ABCD.A'B'C'D'$. Nếu $\vec{AC'} = x\vec{AB} + y\vec{AD} + z\vec{AA'}$, tính $x+y+z$.

🔷 Dạng 3: Tích vô hướng và Góc trong không gian

📌 Phương pháp giải

Phương pháp:

  • Tính tích vô hướng: ab=abcos(a,b)\vec{a} \cdot \vec{b} = |\vec{a}||\vec{b}|\cos(\vec{a}, \vec{b}).
  • Tính góc: cos(a,b)=abab\cos(\vec{a}, \vec{b}) = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}.
  • Hai đường thẳng vuông góc khi tích vô hướng của hai vectơ chỉ phương bằng 0.
🔍 Ví dụ 1 (Dễ)

Cho hình lập phương ABCD.ABCDABCD.A'B'C'D'. Tính góc giữa hai vectơ AB\vec{AB}AD\vec{AD}.

💡 Xem lời giải

ABCDABCD là hình vuông nên ABADAB \perp AD. Góc giữa hai vectơ AB\vec{AB}AD\vec{AD}9090^\circ.

🔍 Ví dụ 2 (Trung bình)

Cho tứ diện đều ABCDABCD cạnh aa. Tính tích vô hướng ABAC\vec{AB} \cdot \vec{AC}.

💡 Xem lời giải

Vì tứ diện đều nên ΔABC\Delta ABC là tam giác đều cạnh aa, suy ra (AB,AC)=60(\vec{AB}, \vec{AC}) = 60^\circ. ABAC=ABACcos60=aa12=a22\vec{AB} \cdot \vec{AC} = AB \cdot AC \cdot \cos 60^\circ = a \cdot a \cdot \frac{1}{2} = \frac{a^2}{2}.

🔍 Ví dụ 3 (Trung bình)

Cho hình chóp S.ABCS.ABCSA=SB=SC=aSA = SB = SC = a và các góc ở đỉnh SS đều bằng 6060^\circ. Tính độ dài ABAB.

💡 Xem lời giải

AB2=(SBSA)2=SB2+SA22SASB\vec{AB}^2 = (\vec{SB} - \vec{SA})^2 = \vec{SB}^2 + \vec{SA}^2 - 2\vec{SA}\cdot\vec{SB} =a2+a22aacos60=2a2a2=a2= a^2 + a^2 - 2 a \cdot a \cdot \cos 60^\circ = 2a^2 - a^2 = a^2. Vậy AB=aAB = a. (Thực tế ΔSAB\Delta SAB đều).

🔍 Ví dụ 4 (Khó)

Cho tứ diện ABCDABCDABCDAB \perp CDACBDAC \perp BD. Chứng minh ADBCAD \perp BC.

💡 Xem lời giải

ABCDABCD=0AB(ADAC)=0ABAD=ABACAB \perp CD \Rightarrow \vec{AB} \cdot \vec{CD} = 0 \Leftrightarrow \vec{AB} \cdot (\vec{AD} - \vec{AC}) = 0 \Leftrightarrow \vec{AB}\cdot\vec{AD} = \vec{AB}\cdot\vec{AC} (1) ACBDACBD=0AC(ADAB)=0ACAD=ACABAC \perp BD \Rightarrow \vec{AC} \cdot \vec{BD} = 0 \Leftrightarrow \vec{AC} \cdot (\vec{AD} - \vec{AB}) = 0 \Leftrightarrow \vec{AC}\cdot\vec{AD} = \vec{AC}\cdot\vec{AB} (2) Từ (1) và (2) ABAD=ACADAD(ABAC)=0ADCB=0\Rightarrow \vec{AB}\cdot\vec{AD} = \vec{AC}\cdot\vec{AD} \Leftrightarrow \vec{AD} \cdot (\vec{AB} - \vec{AC}) = 0 \Leftrightarrow \vec{AD} \cdot \vec{CB} = 0. Vậy ADBCAD \perp BC.

📝 Thực hành — Dạng 3

Cho hình lập phương $ABCD.A'B'C'D'$. Góc giữa hai vectơ $\vec{AB}$ và $\vec{A'C'}$ bằng:
Cho hai vectơ $\vec{a}, \vec{b}$ thỏa mãn $|\vec{a}|=3, |\vec{b}|=4$ và $(\vec{a}, \vec{b}) = 120^\circ$. Tích vô hướng $\vec{a} \cdot \vec{b}$ bằng:
Đúng / SaiCho tứ diện đều $ABCD$ cạnh $a$. Xét tính đúng sai:
a)Góc giữa $ ec{AB}$ và $ ec{AC}$ là $60^circ$
b)$ ec{AB} perp ec{CD}$
c)$ ec{AB} cdot ec{BC} = - rac{a^2}{2}$
d)$ ec{AB} cdot ec{AD} = a^2$
Cho $|\vec{a}|=2, |\vec{b}|=2$ và $(\vec{a}+\vec{b}) \perp \vec{a}$. Tính góc giữa $\vec{a}$ và $\vec{b}$ (độ).

🔷 Dạng 4: Ứng dụng thực tế của vectơ trong không gian

📌 Phương pháp giải

Phương pháp:

  • Biểu diễn các lực, vận tốc bằng vectơ.
  • Lực tổng hợp: F=F1+F2+\vec{F} = \vec{F_1} + \vec{F_2} + \dots
  • Công sinh bởi lực F\vec{F} làm vật dịch chuyển s\vec{s}: A=FsA = \vec{F} \cdot \vec{s}.
  • Trạng thái cân bằng: Fi=0\sum \vec{F_i} = \vec{0}.
🔍 Ví dụ 1 (Trung bình) — Tổng hợp lực

Một vật có trọng lượng P=20P = 20 N được treo bởi 3 sợi dây không giãn cùng độ dài vào 3 điểm A,B,CA, B, C trên trần nhà sao cho ABCABC là tam giác đều. Tìm lực căng của mỗi dây nếu các dây tạo với nhau góc 6060^\circ.

💡 Xem lời giải

Sử dụng quy tắc hình hộp hoặc phân tích lực. Do đối xứng, lực căng 3 dây T1=T2=T3=TT_1 = T_2 = T_3 = T. Hợp lực của 3 lực căng phải cân bằng với trọng lực P\vec{P}. Chiếu lên trục thẳng đứng… (Dạng toán này thường dùng tọa độ sẽ nhanh hơn, nhưng dùng vectơ thuần túy cũng được). Kết quả: T=P3cosαT = \frac{P}{3 \cos \alpha}

🔍 Ví dụ 2 (Trung bình) — Công của lực

Một lực F\vec{F} có độ lớn 50 N tác dụng lên một vật làm vật dịch chuyển một đoạn 10 m. Biết góc giữa lực và hướng dịch chuyển là 4545^\circ. Tính công sinh bởi lực đó.

💡 Xem lời giải

Công A=Fs=Fscos45A = \vec{F} \cdot \vec{s} = |\vec{F}| \cdot |\vec{s}| \cdot \cos 45^\circ A=501022=2502353.5A = 50 \cdot 10 \cdot \frac{\sqrt{2}}{2} = 250\sqrt{2} \approx 353.5 (J).


📝 Bài tập tự luận — Tổng hợp

Câu 1. Cho hình hộp ABCD.ABCDABCD.A'B'C'D'. a) Chứng minh AC=AB+AD+AA\vec{AC'} = \vec{AB} + \vec{AD} + \vec{AA'}. b) Gọi II là tâm hình hộp. Chứng minh IA+IB+IC+ID+IA+IB+IC+ID=0\vec{IA} + \vec{IB} + \vec{IC} + \vec{ID} + \vec{IA'} + \vec{IB'} + \vec{IC'} + \vec{ID'} = \vec{0}.

Câu 2. Cho tứ diện ABCDABCD. Gọi M,NM, N là trung điểm AC,BDAC, BD. a) Chứng minh 2MN=AB+CD=AD+CB2\vec{MN} = \vec{AB} + \vec{CD} = \vec{AD} + \vec{CB}. b) Gọi GG là trung điểm MNMN. Chứng minh GA+GB+GC+GD=0\vec{GA} + \vec{GB} + \vec{GC} + \vec{GD} = \vec{0}.

Câu 3. Cho hình lập phương ABCD.ABCDABCD.A'B'C'D' cạnh aa. a) Tính tích vô hướng ACAD\vec{AC} \cdot \vec{AD'}. b) Tính góc giữa hai đường thẳng ACACBDBD'.

Câu 4. Cho hình chóp S.ABCS.ABCSA=SB=SC=aSA=SB=SC=aASB^=BSC^=CSA^=90\widehat{ASB} = \widehat{BSC} = \widehat{CSA} = 90^\circ. a) Chứng minh các tam giác SAB,SBC,SCASAB, SBC, SCA là các tam giác vuông cân. b) Tính độ dài các cạnh của tam giác ABCABC.

Câu 5. Một chiếc đèn chùm có trọng lượng 100 N được treo vào trần nhà bằng 4 sợi dây hợp với phương thẳng đứng các góc 3030^\circ. Tính lực căng của mỗi sợi dây.

✏️ Luyện tập trắc nghiệm →
🎯

Luyện tập trắc nghiệm

Câu hỏi ngẫu nhiên từ ngân hàng đề — kiểm tra kiến thức ngay!

🚀 Làm bài trắc nghiệm →
Miễn phí · Không giới hạn lần làm
📑 Mục lục