Trong không gian Oxyz, viết phương trình mặt cầu \((S)\) trong các trường hợp sau:

a) Tâm là gốc toạ độ, bán kính \(R = 1\).

b) Đường kính AB, với \(A(1; - 1;2),B(2; - 3; - 1)\).

\(\overrightarrow {OB}  = (a;0;0),\overrightarrow {DC}  = \left( {{x_C};{y_C} - a;{z_C}} \right)\).

Vi \(OBCD.O{B^\prime }C{D^\prime }\) là hình lập phương nên $O B C D$ là hình vuông, do đó ta có

\(\overrightarrow {DC}  = \overrightarrow {OB}  \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_C} = a}\\{{y_C} - a = 0}\\{{z_C} = 0}\end{array} \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_C} = a}\\{{y_C} = a}\\{{z_C} = 0}\end{array}} \right.} \right.\)

Suy ra C(a; a; 0).

Gọi tọa độ điểm \({{\rm{B}}^\prime }\) là \({{\rm{B}}^\prime }\left( {{{\rm{x}}_{\rm{B}}};\quad {{\rm{y}}_{\rm{B}}};\quad {{\rm{z}}_{\rm{B}}}} \right)\). Ta có \(\overrightarrow {B{B^\prime }}  = \left( {{x_{{B^\prime }}} - a;{y_{{B^\prime }}};{z_{{B^\prime }}}} \right),\overrightarrow {O{O^\prime }}  = (0;0;a)\).

Ta có \(\overrightarrow {B{B^\prime }}  = \overrightarrow {O{O^\prime }}  \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_{{B^\prime }}} - a = 0}\\{{y_{{B^\prime }}} = 0}\\{{z_{{B^\prime }}} = a}\end{array} \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_{{B^\prime }}} = a}\\{{y_{{B^\prime }}} = 0.{\rm{ Suy ra B (a; 0; a)}}{\rm{. }}}\\{{z_{{B^\prime }}} = a}\end{array}} \right.} \right.\)

Gọi tọa độ điểm D'là \({D^\prime }\) (x \(\left. {;{y_D};{z_D}} \right)\). Khi đó \(\overrightarrow {D{D^\prime }}  = \left( {{x_{{D^\prime }}};{y_{{D^\prime }}} - a;{z_{{D^\prime }}}} \right)\).

Ta có \(\overrightarrow {D{D^\prime }}  = \overrightarrow {O{O^\prime }}  \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_{{D^\prime }}} = 0}\\{{y_{{D^\prime }}} - a = 0}\\{{z_{{D^\prime }}} = a}\end{array} \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_{{D^\prime }}} = 0}\\{{y_{{D^\prime }}} = a{\rm{. Suy ra D (0; a; a)}}{\rm{. }}}\\{{z_{{D^\prime }}} = a}\end{array}} \right.} \right.\)

a) Ta có \(\overrightarrow {O{B^\prime }}  = (a;0;a),\overrightarrow {O{D^\prime }}  = (0;a;a)\).

Xét vectơ: \(\overrightarrow {{n_1}}  = \left[ {\overrightarrow {O{B^\prime }} ,\overrightarrow {O{D^\prime }} } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{l}}0&a\\a&a\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{l}}a&a\\a&0\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{l}}a&0\\0&a\end{array}} \right|} \right) = \left( { - {a^2}; - {a^2};{a^2}} \right){\rm{. }}\)

Khi đó \(\overrightarrow {{n_1}} \) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (OBD).

Lại có \(\overrightarrow {{O^\prime }C}  = (a;a; - a)\). Ta có \(\overrightarrow {{n_1}}  =  - a\overrightarrow {{O^\prime }C} \), suy ra hai vectơ \(\overrightarrow {{n_1}} ,\overrightarrow {{O^\prime }C} \) cùng phương.

Do đó, \(\overrightarrow {{O^\prime }C} \) cũng là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (OB’D’).

Vậy đường chéo O’C vuông góc với mặt phẳng (OB’D’).

b) Phương trình tổng quát của mặt phẳng (OB’D’) đi qua điểm O và nhận \(\overrightarrow {{O^\prime }C} \) làm vectơ pháp tuyến là: \(a(x - 0) + a(y - 0) - a(z - 0) = 0 \Leftrightarrow x + y - z = 0\) (do \(a\) > \(0)\).

Phương trình tham số của đường thẳng O’C đi qua đi qua điểm \({\rm{O'}}(0;0\); a) và nhận \(\overrightarrow {{u_{{O^\prime }C}}}  = \frac{1}{a}\overrightarrow {{O^\prime }C}  = (1;1; - 1)\) làm vectơ chỉ phương là: \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{x = t}\\{y = t}\\{z = a - t}\end{array}} \right.\) (t là tham số).

Gọi G là giao điểm của đường chéo O’C và mặt phẳng ( OB’D’ ).

Vi \({\rm{G}} \in {{\rm{O}}^\prime }{\rm{C}}\) nên gọi tọa độ điểm G là \({\rm{G}}({\rm{t}};{\rm{t}}\); \({\rm{a}} - {\rm{t}})\).

Mà \({\rm{G}} \in \left( {OB'D'} \right)\) ) nên ta có \({\rm{t}} + {\rm{t}} - ({\rm{a}} - {\rm{t}}) = 0\), suy ra \({\rm{t}} = \frac{a}{3}\). Do đó \(G\left( {\frac{a}{3};\frac{a}{3};\frac{{2a}}{3}} \right)\).

Tọa độ trọng tâm G' của tam giác OB'D’ \(\frac{{0 + a + 0}}{3} = \frac{a}{3};\quad \frac{{0 + 0 + a}}{3} = \frac{a}{3};\quad \frac{{0 + a + a}}{3} = \frac{{2a}}{3}\).

Suy ra \({G^\prime }\left( {\frac{a}{3};\frac{a}{3};\frac{{2a}}{3}} \right)\). Do đó, \({\rm{G}} \equiv {{\rm{G}}^\prime }\).

Vậy giao điểm của đường chéo O'C và mặt phẳng (OB'D') là trọng tâm của tam giác OB'D'.

c) Gọi tọa độ điểm C' là \({C^\prime }\left( {{x_C};{y_C};{z_C}} \right)\). Khi đó \(\overrightarrow {C{C^\prime }}  = \left( {{x_{{C^\prime }}} - a;{y_{{C^\prime }}} - a;{z_{{C^\prime }}}} \right)\).

Ta có \(\overrightarrow {C{C^\prime }}  = \overrightarrow {O{O^\prime }}  \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_{{C^\prime }}} - a = 0}\\{{y_{{C^\prime }}} - a = 0}\\{{z_{{C^\prime }}} = a}\end{array} \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{x_{{C^\prime }}} = a}\\{{y_{{C^\prime }}} = a{\rm{. Suy ra C (a; a; a)}}{\rm{. }}}\\{{z_{{C^\prime }}} = a}\end{array}} \right.} \right.\)

Ta có \(\overrightarrow {{C^\prime }B}  = (0; - a; - a),\overrightarrow {{C^\prime }D}  = ( - a;0; - a)\).

Xét vectơ: \(\overrightarrow {{n_2}}  = \left[ {\overrightarrow {{C^\prime }B} ,\overrightarrow {{C^\prime }D} } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - a}&{ - a}\\0&{ - a}\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - a}&0\\{ - a}&{ - a}\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}0&{ - a}\\{ - a}&0\end{array}} \right|} \right) = \left( {{a^2};{a^2}; - {a^2}} \right)\)

Khi đó, \(\overrightarrow {{n_3}}  = \frac{1}{{{a^2}}}\overrightarrow {{n_2}}  = (1;1; - 1)\) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (C'BD).

Phương trình tổng quát của mặt phẳng (C’BD) là: \((x - a) + (y - a) - (z - a) = 0 \Leftrightarrow x + y - z - a = 0.\)

Khoảng cách từ điểm \({B^\prime }\) đến mặt phẳng (C'BD) là: \({\rm{d}}\left( {{{\rm{B}}^\prime },\left( {{C^\prime }BD} \right)} \right) = \frac{{|a + 0 - a - a|}}{{\sqrt {{1^2} + {1^2} + {{( - 1)}^2}} }} = \frac{a}{{\sqrt 3 }}({\rm{ do }}a > 0){\rm{. }}\)

d) Ta có \(\overrightarrow {{O^\prime }C}  = (a;a; - a),\overrightarrow {{O^\prime }D}  = (0;a; - a)\).

Xét vectơ \(\overrightarrow {{n_4}}  = \left[ {\overrightarrow {{O^\prime }C} ,\overrightarrow {{O^\prime }D} } \right] = \left( {\left| {\begin{array}{*{20}{c}}a&{ - a}\\a&{ - a}\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}{ - a}&a\\{ - a}&0\end{array}} \right|;\left| {\begin{array}{*{20}{c}}a&a\\0&a\end{array}} \right|} \right) = \left( {0;{a^2};{a^2}} \right){\rm{. }}\)

Khi đó, \(\overrightarrow {{n_5}}  = \frac{1}{{{a^2}}}\overrightarrow {{n_4}}  = (0;1;1)\) là một vectơ pháp tuyến của mặt phẳng (CO’D).

Ta có \(\cos \left( {(CO'D),\left( {{C^\prime }BD} \right)} \right) = \frac{{|1 \cdot 0 + 1 \cdot 1 + ( - 1) \cdot 1|}}{{\sqrt {{1^2} + {1^2} + {{( - 1)}^2}}  \cdot \sqrt {{0^2} + {1^2} + {1^2}} }} = 0\)

a) Đường thẳng d đi qua điểm \({\rm{M}}(0;1\); 0) và có một vectơ chỉ phương \(\overrightarrow {{u_1}}  = (1;2;2)\)

Đường thẳng d' đi qua điển \({\rm{N}}( - 1; - 2;3)\) và có một vectơ chỉ phương \(\overrightarrow {{u_2}}  = (2;2; - 1)\)

Có \(\overrightarrow {MN}  = ( - 1; - 3;3),\left[ {\overrightarrow {{u_1}} ,\overrightarrow {{u_2}} } \right] = ( - 6;5; - 2) \ne \vec 0\)

Có \(\overrightarrow {MN} .\left[ {\overrightarrow {{u_1}} ,\overrightarrow {{u_2}} } \right] = 6 - 15 - 6 =  - 15 \ne 0\)

Suy ra d và d' chéo nhau.

b) Vi \(\Delta //{\rm{d}}\) nên đường thẳng \(\Delta \) nhận \(\overrightarrow {{u_1}}  = (1;2;2)\) làm một vectơ chỉ phương.

Đường thẳng \(\Delta \) đi qua \({\rm{A}}(1;0;2)\) và nhận \(\overrightarrow {{u_1}}  = (1;2;2)\) làm một vectơ chỉ phương có phương trình là \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{x = 1 + t}\\{y = 2t}\\{z = 2 + 2t}\end{array}} \right.\)

c) Có \(\overrightarrow {AM}  = ( - 1;1; - 2),\left[ {\overrightarrow {AM} ,\overrightarrow {{u_1}} } \right] = (6;0; - 3)\)

Mặt phằng \(({\rm{P}})\) đi qua \({\rm{A}}(1;0;2)\) và nhận \(\vec n = \frac{1}{3}\left[ {\overrightarrow {AM} ,\overrightarrow {{u_1}} } \right] = (2;0; - 1)\) làm một vectơ pháp tuyến có phương trình là: \(2(x - 1) - (z - 2) = 0\) hay \(2x - z = 0\).

d) Mặt phẳng (Oxz) có phương trình là: \(y = 0\).

Tọa độ giao điểm của đường thẳng d với mặt phẳng (Oxz) là nghiệm của hệ:

\(\left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{\frac{x}{1} = \frac{{y - 1}}{2} = \frac{z}{2}}\\{y = 0}\end{array} \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{x =  - \frac{1}{2}}\\{y = 0}\\{z =  - 1}\end{array}} \right.} \right.\). Vậy giao điểm cần tìm có tọa độ là \(\left( { - \frac{1}{2};0; - 1} \right)\)