Kiến thức giải toán về phương trình đường thẳng trong KG Oxyz.

A. KIẾN THỨC CẦN NHỚ:
$1.$ Phương trình tham số và phương trình chính tắc.
Đường thẳng $d$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ có :
- Phương trình tham số của $d: \begin{cases}x=x_0+at \\ y=y_0+bt \\z=z_0+ct\end{cases} (t \in \mathbb{R})$
- Phương trình chính tắc của $d:\frac{x-x_0}{a}=\frac{y-y_0}{b}=\frac{z-z_0}{c} (abc \ne 0)$

$2.$ Vị trí tương đối của hai đường thẳng.
Đường thẳng $d$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và đường thẳng $d'$ đi qua $M'_0(x'_0;y'_0;z'_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u'}=(a';b';c')$ . Khi đó:
+ $d$ và $d'$ cùng nằm trong một mặt phẳng $\Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right].\overrightarrow{M_0M'_0}=0$ .
+ $d$ và $d'$ cắt nhau $\Leftrightarrow\begin{cases}\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right].\overrightarrow{M_0M'_0}=0\\ \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right] \ne\overrightarrow{0} \end{cases}$.
+ $d \parallel d' \Leftrightarrow\begin{cases}\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right]=\overrightarrow{0}\\ \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{M_0M'_0}} \right] \ne\overrightarrow{0} \end{cases}$.
+ $d \equiv d' \Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right]=\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{M_0M'_0}} \right]=\overrightarrow{0}$
+ $d$ và $d’$ chéo nhau $\Leftrightarrow\left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{u'}} \right]\overrightarrow{M_0M'_0}=\overrightarrow{0}$
$3.$ Vị trí tương đối của đường thẳng với mặt phẳng.
Đường thẳng $d$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và mặt phẳng $(P) : Ax+By+Cz+D=0$ có vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}=(A;B;C)$ . Khi đó:
+ $d$ cắt $(P)\Leftrightarrow Aa+Bb+Cc \ne 0$
+ $d \parallel (P)\Leftrightarrow \begin{cases}Aa+Bb+Cc = 0 \\ Ax_0+by_0+Cz_0+D \ne 0 \end{cases}$
+ $d \subset (P)\Leftrightarrow \begin{cases}Aa+Bb+Cc = 0 \\ Ax_0+by_0+Cz_0+D = 0 \end{cases}$
+ $d \perp (P) \Leftrightarrow \overrightarrow{u} \parallel \overrightarrow{n} \Leftrightarrow \left[ {\overrightarrow{u},\overrightarrow{n}} \right]=\overrightarrow{0}$
$4.$ Góc giữa hai đường thẳng.
Cho đường thẳng $d$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và đường thẳng $d'$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u'}=(a';b';c')$. Gọi $0^\circ \le\phi \le 90^\circ$ là góc giữa hai đường thẳng đó ta có:
$\cos \phi = \frac{\left| {\overrightarrow{u}.\overrightarrow{u'}} \right|}{|\overrightarrow{u}|.|\overrightarrow{u'}|}=\frac{|aa'+bb'+cc'|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}.\sqrt{a'^2+b'^2+c'^2}}$
$5.$ Góc giữa đường thẳng với mặt phẳng.
Cho đường thẳng $d$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}=(a;b;c)$ và mặt phẳng $(P)$ có vectơ pháp tuyến $\overrightarrow{n}=(A;B;C)$ . Gọi $0^\circ \le \psi \le 90^\circ$ là góc hợp bởi đường thẳng $d$ và mặt phẳng $(P)$ ta có:
$\sin \psi = \frac{\left| {\overrightarrow{u}.\overrightarrow{n}} \right|}{|\overrightarrow{u}|.|\overrightarrow{n}|}=\frac{|Aa+Bb+Cc|}{\sqrt{a^2+b^2+c^2}.\sqrt{A^2+B^2+C^2}}$
$6.$ Khoảng cách từ điểm $M_1(x_1;y_1;z_1)$ đến đường thẳng $\Delta$ có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}$ :
+ Cách $1:$
- Viết phương trình mặt phẳng $(Q)$ qua $M_1$ và vuông góc với $\Delta$.
- Tìm tọa độ giao điểm $H$ của $\Delta$ và mặt phẳng $(Q)$ .
- d$(M_1, \Delta)=M_1H$ .
+ Cách $2:$ Sử dụng công thức: d$(M_1, \Delta)=\frac{\left| {\left[ {\overrightarrow{M_1M_0},\overrightarrow{u}} \right]} \right|}{|\overrightarrow{u}|}$
$7.$ Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau.
Cho hai đường thẳng chéo nhau $\Delta$ đi qua $M_0(x_0;y_0;z_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u}$ và đường thẳng $\Delta'$ đi qua $M'_0(x'_0;y'_0;z'_0)$ và có vectơ chỉ phương $\overrightarrow{u'}$ .
+ Cách $1:$
- Viết phương trình mặt phẳng $(Q)$ chứa $\Delta$ và song song với $\Delta'$.
- Tính khoảng cách từ $M'_0$ tới mặt phẳng $(Q)$ .
- d$(\Delta,\Delta')=$d$(M'_0,(Q))$ .
+ Cách $2:$\ d(\Delta ,\Delta ') = \frac{{\left| {\left[ {\vec u,\vec u'} \right].\overrightarrow {{M_0}{{M'}_0}} } \right|}}{{\left| {\left[ {\vec u,\vec u'} \right]} \right|}}$

B. CÁC DẠNG TOÁN
Dạng I: Viết phương trình đường thẳng bằng cách xác định vectơ chỉ phương
Ví dụ $1.$ Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng
$d :\frac{x+1}{2}=\frac{y-1}{1}=\frac{z-2}{3}$ và mặt phẳng $P : x - y - z -1 = 0$ . Viết phương trình đường thẳng $\Delta$ đi qua $A(1;1;-2)$ , song song với mặt phẳng $(P)$ và vuông góc với đường thẳng $d .$
Lời giải :
Để tìm một VTCP của $\Delta$ ta phải tìm hai VTPT không cùng phương của nó rồi tìm tích có hướng của hai vectơ này.
Như vậy, $\overrightarrow{u_{\Delta}}=\left[ {\overrightarrow{u_{d}};\overrightarrow{n_{P}}}\right]=(2;5;-3)$
Trong đó $\overrightarrow{u_{d}}=(2;1;3);\overrightarrow{n_{P}}=(1;-1;-1)$
$\Delta$ đi qua $A(1;1;-2)$ và có VTCP $\overrightarrow{u_{\Delta}}=(2;5;-3)$ nên có phương trình
$\Delta : \frac{x-1}{2}=\frac{y-1}{5}=\frac{z+2}{-3}$
Ví dụ $2.$ Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng
$\Delta :\frac{x-1}{2}=\frac{y+1}{1}=\frac{z}{-1}$ và mặt phẳng $P : x - y - z -1 = 0$ . Viết phương trình đường thẳng $d$ đi qua $M(2;1;0)$ , cắt và vuông góc với $\Delta$.
Lời giải :
$\overrightarrow{u_{\Delta}}=(2;1; -1)$ . Gọi $H = d \cap \Delta$.
Do $H \in \Delta$ nên có thể giả sử $H(1+ 2t;-1+ t;-t) \Rightarrow \overrightarrow{MH} = (2t -1;t - 2;-t)$.
$\overrightarrow{MH} \perp \overrightarrow{u_{\Delta}} \Leftrightarrow 2(2t -1) + ( t- 2) - (-t ) = 0 \Leftrightarrow t=\frac{2}{3} \Leftrightarrow \overrightarrow{u_{d}} = 3\overrightarrow{MH} = (1;-4;-2)$
$\Rightarrow d : \begin{cases}x=2+t \\ y= 1-4t\\z=-2t\end{cases}$
Bài tập tương tự
Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng $(d)$ có phương trình:
$\begin{cases}x = -t \\ y = -1+ 2t \\ z = 2 + t \end{cases} ( t \in \mathbb{R} )$ và mặt phẳng $(P): 2x - y - 2z - 3 = 0$.Viết phương trình tham số của đường thẳng $\Delta$ nằm trên $(P)$, cắt và vuông góc với $(d).$
Đáp số :$\Delta: \begin{cases}x = 1+t \\ y =-3\\ z =1 + t \end{cases} ( t \in \mathbb{R} )$.

Dạng II: Viết phương trình đường thẳng liên quan đến một đường thẳng khác.
Ví dụ $1.$ Trong không gian với hệ toạ độ Oxyz, cho đường thẳng
$d : \frac{x+1}{3}=\frac{y-2}{-2}=\frac{z-2}{2}$
và mặt phẳng $(P): x + 3y + 2z + 2 = 0$. Lập phương trình đường thẳng $\Delta$ song song với mặt phẳng $(P),$ đi qua $M(2; 2; 4)$ và cắt đường thẳng $(d).$
Lời giải :
Đường thẳng $(d)$ có PT tham số : $\begin{cases}x=-1+3t \\ y=2-2t\\z=2+2t \end{cases}$.
Mặt phẳng $(P)$ có VTPT $\overrightarrow{n} = (1; 3; 2)$
Giả sử $N(-1 + 3t ; 2 - 2t ; 2 + 2t) \in d \Rightarrow \overrightarrow{MN}= (3t - 3;-2t;2t - 2)$
Để $MN \parallel (P)$ thì $\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{n} = 0 \Leftrightarrow 1.(-1+3t)+3.(2-2t)+2.(2+2t)=0\Leftrightarrow t = 7 \Rightarrow \overrightarrow{MN}= (18;-14;12)$
Do $\Delta \parallel MN$ nên chọn $\overrightarrow{u_{\Delta}}= (9;-7;6)$
Phương trình đường thẳng $\Delta : \frac{x-2}{9}=\frac{y-2}{-7}=\frac{z-4}{6}$
Câu hỏi tương tự:
$d : \frac{x}{1}=\frac{y-1}{2}=\frac{z-2}{1}, (P) : x + 3y + 2z + 2 = 0 , M(2;2;4).$ Đáp số :$\Delta : \frac{x-1}{1}=\frac{y-3}{-1}=\frac{z-3}{1}$