Hệ thống định vị toàn cầu GPS là một hệ thống cho phép xác định chính xác vị trí của một vật thể trong không gian. Ta có thể mô phỏng cơ chế hoạt động của hệ thống GPS trong không gian như sau: trong cùng một thời điểm tọa độ của điểm \(M\)trong không gian sẽ được xác định bởi bốn vệ tinh cho trước, trên mỗi vệ tinh có một máy thu tín hiệu. Bằng cách so sánh sự sai lệch về thời gian từ lúc tín hiệu được phát đi với thời gian nhận phản hồi tín hiệu đó, mỗi máy thu tín hiệu xác định được khoảng cách từ vệ tinh đến vị trí điểm \(M\)cần tìm tọa độ. Như vậy, điểm \(M\)là giao điểm của bốn mặt cầu với tâm lần lượt là bốn vệ tinh đã cho. Trong không gian với hệ tọa độ \(Oxyz\), cho 4 vệ tinh đặt tại các vị trí \(A\left( {2;\,6;\,4} \right)\), \(B\left( {1;\, - 6;\, - 4} \right)\), \(C\left( {1; - 4;\,1} \right)\), \(D\left( { - 8;\,2;\,4} \right)\). Một điểm\(M\) trong không gian thỏa mãn khoảng cách từ \(M\)đến các vệ tinh lần lượt là: \(MA = 13\), \(MB = 10\), \(MC = 7\), \(MD = 17\). Khi đó:

c) Điểm\(M\)nằm trên giao tuyến của hai mặt cầu tâm \(C\), bán kính bằng 7 và mặt cầu tâm D bán kính bằng 17 nên có tọa độ thỏa mãn phương trình: \(9x - 6y - 3z - 87 = 0\);

d) Mặt cầu \[\left( S \right)\] có tâm \[I\left( {1;0;2} \right)\] và bán kính \[R = \sqrt {10} \].

Ta có \[IA = 2\sqrt {10}  = 2R\] nên tồn tại điểm \[C\] cố định sao cho \[MA = 2MC;\forall M \in \left( S \right){\rm{  }}\left( 1 \right)\]

Thật vậy, gọi \[C\left( {a;b;c} \right)\]. Khi đó, với mọi điểm \[M\left( {x;y;z} \right) \in \left( S \right) \Leftrightarrow {x^2} + {y^2} + {z^2} = 2x + 4z + 5\], ta có: \[M{A^2} = {\left( {x - 1} \right)^2} + {\left( {y - 2} \right)^2} + {\left( {z + 4} \right)^2} = {x^2} + {y^2} + {z^2} - 2{\rm{x}} - 4y + 8{\rm{z}} + 21\]

\[ = 2{\rm{x}} + 4{\rm{z}} + 5 - 2{\rm{x}} - 4y + 8{\rm{x}} + 21 =  - 4y + 12{\rm{z}} + 26\]

\[M{C^2} = {\left( {x - a} \right)^2} + {\left( {y - b} \right)^2} + {\left( {z - c} \right)^2} = {x^2} + {y^2} + {z^2} - 2a{\rm{x}} - 2by - 2c{\rm{z}} + {a^2} + {b^2} + {c^2}\]

\[ = 2{\rm{x}} + 4{\rm{z}} + 5 - 2a{\rm{x}} - 2by - 2c{\rm{x}} + {a^2} + {b^2} + {c^2} = \left( {2 - 2a} \right)x - 2by + \left( {4 - 2c} \right){\rm{z}} +  + {a^2} + {b^2} + {c^2} + 5\]

Nên \[\left( 1 \right) \Leftrightarrow M{A^2} = 4M{C^2};\forall M \in \left( S \right)\]

\[ \Leftrightarrow  - 4y + 12{\rm{z}} + 26 = 4\left[ {\left( {2 - 2{\rm{a}}} \right)x - 2by + \left( {4 - 2c} \right)z + {a^2} + {b^2} + {c^2} + 5} \right];\forall x;y;z \in \mathbb{R}\]

 \[ \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{4\left( {2 - 2{\rm{a}}} \right) = 0}\\{4\left( { - 2b} \right) =  - 4}\\{4\left( {4 - 2c} \right) = 12}\\{4\left( {{a^2} + {b^2} + {c^2} + 5} \right) = 26}\end{array}} \right.\]\( \Leftrightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{a = 1}\\{b = \frac{1}{2}}\\{c = \frac{1}{2}}\end{array}} \right.\)\( \Rightarrow C\left( {1;\frac{1}{2};\frac{1}{2}} \right)\)

Lúc này, \(IC = \frac{{\sqrt {10} }}{2} < R < IB = 2\sqrt {37} \)  nên \(C\) nằm trong \(\left( S \right)\) còn \(B\) nằm ngoài \(\left( S \right)\) và

\(MA + 2MB = 2MC + 2MB = 2\left( {MC + MB} \right) \ge 2BC = 3\sqrt {82} \).

Đẳng thức xảy ra \( \Leftrightarrow M\) là giao điểm của đoạn \(BC\) và mặt cầu \(\left( S \right)\).

Vậy \(\min \left( {MA + 2MB} \right) = 3\sqrt {82} \). Do đó câu này đúng.

d) Phương trình tham số đường thẳng \[CD\]là : \(\left\{ {\begin{array}{*{20}{c}}{x = 2 - t}\\{y = 3 + t}\\{z = 2 - 2t}\end{array}} \right.\)

Do tâm \[I\]mặt cầu \(\left( S \right)\) thuộc \[CD\] nên có \(I\left( {2 - t;3 + t;2 - 2t} \right)\).

Vì \(IA = IB\) nên \(\sqrt {{{\left( { - 1 + t} \right)}^2} + {{\left( { - 7 - t} \right)}^2} + {{\left( {2t} \right)}^2}}  = \sqrt {{{\left( { - 1 + t} \right)}^2} + {{\left( { - 2 - t} \right)}^2} + {{\left( { - 5 + 2t} \right)}^2}} \)

\( \Leftrightarrow 4{t^2} + 49 + 14t + {t^2} = 25 - 20t + 4{t^2} + 4 + 4t + {t^2}\)

\( \Leftrightarrow 30t =  - 20 \Leftrightarrow t =  - \frac{2}{3}\)

Vậy \(I\left( {\frac{8}{3};\frac{7}{3};\frac{{10}}{3}} \right)\) và \(R = IA = \frac{{2\sqrt {93} }}{3}\).

Vậy phương trình mặt cầu là : \({\left( {x - \frac{8}{3}} \right)^2} + {\left( {y - \frac{7}{3}} \right)^2} + {\left( {z - \frac{{10}}{3}} \right)^2} = \frac{{124}}{3}\). Do đó câu này sai.