Site announcements

Mặt cầu có bán kính nhỏ nhất tiếp xúc với hai đường thẳng chéo nhau

Mặt cầu có bán kính nhỏ nhất tiếp xúc với hai đường thẳng chéo nhau

Bởi Admin User -
Số lượng các câu trả lời: 0

Trong không gian với hệ tọa độ \(Oxyz,\) cho hai đường thẳng:

\( (d_1): \left\{\begin{aligned} &x=1+t \\ &y=2+t\\ &z=-2-t \end{aligned}\right. (t \in \mathbb R) \)\( (d_2): \left\{\begin{aligned} &x=2+u \\ &y=1-u \\ &z=1 \end{aligned}\right. (u \in \mathbb R).\) Chứng minh rằng \((d_1)\)\((d_2)\) chéo nhau. Viết phương trình của mặt cầu có bán kính nhỏ nhất tiếp xúc với cả hai đường thẳng \((d_1)\)\((d_2).\)

vbqc

Lời giải.  Chứng minh \(\boldsymbol{(d_1)}\)\(\boldsymbol{(d_2)}\) chéo nhau. Đường thẳng \((d_1)\) đi qua điểm \(M(1,\,2,\,-2)\) và có vector chỉ phương \(\overrightarrow{u_1}=(1,\,1,\,-1).\) Đường thẳng \((d_2)\) đi qua điểm \(N(2,\,1,\,1)\) và có vector chỉ phương \(\overrightarrow{u_2}=(1,\,-1,\,0).\) Ta tính được: \(\overrightarrow{MN}=(1,\,-1,\,3),\quad \left[\overrightarrow{u_2},\, \overrightarrow{u_1}\right] =(1,\, 1,\, 2).\) Từ đó suy ra \(\left[\overrightarrow{u_2},\, \overrightarrow{u_1}\right] \cdot \overrightarrow{MN}= 1\cdot 1 +1 \cdot (-1)+2\cdot 3=6 \ne 0.\)  Kết quả này chứng tỏ \((d_1)\)\((d_2)\) là hai đường thẳng chéo nhau.

Viết phương trình mặt cầu \(\boldsymbol{(\mathcal S)}\) có bán kính nhỏ nhất tiếp xúc với cả \(\boldsymbol{(d_1)}\)\(\boldsymbol{(d_2)}.\) Gọi \(I\) là tâm của \((\mathcal S);\) \(R\) là bán kính của \((\mathcal S);\) \(P,\,T\) lần lượt là các tiếp điểm của \((\mathcal S)\)\((d_1),\, (d_2);\)\(H_1H_2\) là đoạn vuông góc chung của \((d_1),\,(d_2).\) Sử dụng bất đẳng thức tam giác kết hợp với tính chất của đoạn vuông góc chung, ta thu được đánh giá: \(2R=IP+IT \ge PT \ge H_1H_2.\) Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi \(P \equiv H_1,\, T\equiv H_2\)\(I\) là trung điểm của \(H_1H_2.\)

Từ đây, ta suy ra mặt cầu \((\mathcal S)\) thỏa mãn yêu cầu của đề bài có tâm \(I\) là trung điểm của \(H_1H_2\) với \(H_1H_2\) là đoạn vuông góc chung của \((d_1)\)\((d_2).\)

Bây giờ, ta sẽ tìm tọa độ của \(H_1,\,H_2.\) Giả sử hai điểm này có tọa độ lần lượt là: \(H_1(1+t,\,2+t,\, -2-t),\quad H_2(2+u,\, 1-u,\, 1).\) 

Khi đó, ta có \(\overrightarrow{H_1H_2}=(u-t+1,\, -u-t-1,\, 3+t).\) 

Do \(H_1H_2 \perp (d_1)\)\(H_1H_2 \perp (d_2)\) nên ta có

\(\left\{\begin{aligned} &\overrightarrow{H_1H_2} \cdot \overrightarrow{ u_1} =0 \\ &\overrightarrow{H_1H_2}\cdot \overrightarrow{u_2}=0\end{aligned} \right.\)

\( \Leftrightarrow \left\{\begin{aligned} &(u-t+1) \cdot 1 +(-u-t-1) \cdot 1 +(t+3)\cdot (-1)=0 \\ & (u-t+1)\cdot 1 +(-u-t-1)\cdot (-1) +(t+3)\cdot 0 =0 \end{aligned}\right.\)

\(\Leftrightarrow \left\{\begin{aligned} &t=-1\\ &u=-1 \end{aligned}\right.\) 

Như thế, ta tìm được \(H_1(0,\,1,\,-1)\)\(H_2(1,\,2,\,1).\) Từ đó, ta có \(I\left(\frac{1}{2},\, \frac{3}{2},\,0\right)\)\(R=IH_1 =\frac{\sqrt{6}}{2}.\) 

Vậy phương trình của mặt cầu \((\mathcal S)\) là: \(\left(x-\frac{1}{2}\right)^2+\left(y-\frac{3}{2}\right)^2+z^2 =\frac{3}{2}.\)