Hình học giải tích

MAI QUANG VINH (Chủ biên) - TRẦN THANH PHONG

HÌNH HỌC GIẢI TÍCH

Bình Dương, tháng 10 năm 2015


Mục lục
Giới thiệu

4

1 VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ
1.1 Khái niệm vectơ. Các phép toán đối với vectơ . . . . . . .
1.1.1 Khái niệm vectơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.2 Các phép toán đối với vectơ . . . . . . . . . . . . .
1.1.3 Hệ vectơ phụ thuộc tuyến tính, độc lập tuyến tính .
1.1.4 Chiếu vectơ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.1.5 Tích vơ hướng của hai vectơ . . . . . . . . . . . .
1.2 Mục tiêu affine trong mặt phẳng . . . . . . . . . . . . . .
1.2.1 Mục tiêu affine-Tọa độ . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.2 Đổi mục tiêu affine . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2.3 Tâm tỉ cự . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3 Hệ tọa độ trực chuẩn trong mặt phẳng . . . . . . . . . . .
1.3.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.2 Biểu thức tọa độ của tích vơ hướng . . . . . . . . .
1.3.3 Đổi hệ tọa độ trực chuẩn . . . . . . . . . . . . . . .
1.3.4 Phép quay hệ tọa độ quanh gốc tọa độ . . . . . . .
1.4 Mục tiêu affine trong không gian . . . . . . . . . . . . . .
1.4.1 Mục tiêu affine trong không gian. Tọa độ . . . . . .
1.4.2 Đổi mục tiêu affine trong không gian . . . . . . . .

1.5 Hệ tọa độ trực chuẩn trong không gian . . . . . . . . . . .
1.5.1 Định nghĩa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.2 Đổi hệ tọa độ trực chuẩn . . . . . . . . . . . . . . .
1.5.3 Biểu thức tọa độ của tích vơ hướng . . . . . . . . .
1.5.4 Tích có hướng của hai vectơ . . . . . . . . . . . . .
1.5.5 Tích hỗn hợp của ba vectơ . . . . . . . . . . . . . .
1.6 Phương trình của đường và mặt . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.1 Phương trình của đường trong mặt phẳng . . . . .
1.6.2 Mặt trong không gian . . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.3 Đường trong không gian . . . . . . . . . . . . . . .
1.6.4 Hai bài toán thường gặp trong Hình học giải tích .
1.7 BÀI TẬP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2 ĐƯỜNG THẲNG-MẶT PHẲNG
2.1 Đường thẳng trong mặt phẳng . . . . . . . .
2.1.1 Phương trình đường thẳng trong mục
2.1.2 Vị trí tương đối của hai đường thẳng
2.1.3 Chùm đường thẳng . . . . . . . . . .
2.1.4 Nửa mặt phẳng . . . . . . . . . . . .

. . . . . .
tiêu affine
. . . . . .
. . . . . .
. . . . . .

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.

7
7
7
8
10
12
13
15
15
17
21
22
22
22
23
26
27
27
28
31
31
32
35
35

37
38
38
40
43
44
45

.
.
.
.
.

51
51
51
53
54
55


2

MỤC LỤC

2.1.5 Phương trình của đường thẳng trong hệ tọa độ trực chuẩn .
Mặt phẳng trong không gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.1 Phương trình của mặt phẳng trong mục tiêu affine . . . . .
2.2.2 Vị trí tương đối của hai mặt phẳng . . . . . . . . . . . . . .

2.2.3 Chùm mặt phẳng . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.4 Nửa không gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2.5 Phương trình của mặt phẳng trong hệ tọa độ trực chuẩn . .
Đường thẳng trong không gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.1 Phương trình của đường thẳng trong khơng gian . . . . . . .
2.3.2 Vị trí tương đối của hai đường thẳng trong khơng gian . . .
2.3.3 Vị trí tương đối giữa mặt phẳng và đường thẳng . . . . . . .
2.3.4 Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng . . . . . . . . . . . . .
2.3.5 Góc giữa hai đường thẳng trong không gian . . . . . . . . .
2.3.6 Khoảng cách từ một điểm đến một đường thẳng trong không
gian . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3.7 Khoảng cách của hai đường thẳng chéo nhau . . . . . . . . .
2.3.8 Áp dụng phương pháp tọa độ để giải các bài tốn hình học .
BÀI TẬP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

56
58
59
61
62
63
65
67
67
69
70
70
71

3 ĐƯỜNG BẬC HAI

3.1 Ba đường conic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.1 Đường tròn và ellipse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.2 Hyperbol và parabol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.3 Ba đường conic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.4 Đường kính của ba đường conic . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.5 Tiếp tuyến của ba đường conic . . . . . . . . . . . . . . . .
3.1.6 Đường chuẩn của ba đường conic . . . . . . . . . . . . . . .
3.2 Đường bậc hai trong mặt phẳng với mục tiêu affine . . . . . . . . .
3.2.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.2 Phương trình chính tắc của đường bậc hai . . . . . . . . . .
3.2.3 Giao của đường bậc hai và đường thẳng . . . . . . . . . . .
3.2.4 Tâm của đường bậc hai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.5 Tiếp tuyến của đường bậc hai . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.2.6 Phương tiệm cận và đường tiệm cận . . . . . . . . . . . . .
3.2.7 Đường kính liên hợp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Đường bậc hai trong mặt phẳng với hệ tọa độ trực chuẩn . . . . . .
3.4 Các bất biến của đa thức bậc hai. Nhận biết đường bậc hai nhờ các
bất biến . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.1 Các bất biến của đa thức bậc hai . . . . . . . . . . . . . . .
3.4.2 Nhận biết đường bậc hai nhờ các bất biến . . . . . . . . . .
3.5 BÀI TẬP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

83
83
83
86
87
89
93
96

98
98
98
103
105
106
108
109
111
118
118
123
128

4 MẶT BẬC HAI
4.1 Mặt tròn xoay . . . . . . . . .
4.2 Mặt tròn xoay bậc hai . . . .
4.2.1 Mặt cầu . . . . . . . .
4.2.2 Ellipsoid tròn xoay . .
4.2.3 Hyperboloid trịn xoay
4.2.4 Paraboloid trịn xoay .
4.2.5 Mặt nón trịn xoay . .

131
131
133
134
134
135
137

138

2.2

2.3

2.4

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.

.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.

71
72
73
77

MỤC LỤC

4.3

4.4

4.5
4.6

4.7

4.2.6 Mặt trụ tròn xoay . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.7 Cặp mặt phẳng song song . . . . . . . . . . . .
4.2.8 Cặp mặt phẳng trùng nhau . . . . . . . . . . .
Mặt bậc hai . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1 Ellipsoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2 Hyperboloid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.3 Paraboloid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.4 Mặt nón bậc hai . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.5 Mặt trụ bậc hai . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Mặt bậc hai trong không gian với mục tiêu affine . . .
4.4.1 Phương trình chính tắc của mặt bậc hai . . . .
4.4.2 Giao của mặt bậc hai và đường thẳng . . . . . .
4.4.3 Giao của mặt bậc hai và mặt phẳng . . . . . . .
4.4.4 Tâm của mặt bậc hai . . . . . . . . . . . . . . .
4.4.5 Mặt kính liên hợp của mặt bậc hai . . . . . . .
Mặt bậc hai trong không gian với hệ tọa độ trực chuẩn
Đường sinh thẳng. Mặt kẻ bậc hai . . . . . . . . . . . .

4.6.1 Khái niệm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.6.2 Đường sinh thẳng của hyperboloid một tầng . .
4.6.3 Đường sinh thẳng của paraboloid hyperbolic . .
BÀI TẬP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

.
.
.
.
.
.
.
.
.
.

138
139
139
140
140
141
141
142
143
145
145
152
153
154
156
160
165
165
165

170
174

Tài liệu tham khảo

178

Danh mục từ khóa

180



Giới thiệu
Quyển sách Hình học giải tích này được viết cho những sinh viên đã được học
một ít về hình học ở bậc phổ thơng và đại số tuyến tính ở bậc đại học. Hơn nữa,
đây cũng là một tài liệu tham khảo tốt cho những học sinh phổ thông muốn tìm
hiểu sâu thêm về hình học giải tích. Trong quyển sách này, chúng tơi đã hệ thống
hóa và khái qt hóa các kiến thức hình học giải tích ở THPT và bổ sung những
kiến thức mới giúp cho người đọc thấy rằng có thể nghiên cứu hình học bằng nhiều
phương pháp khác nhau như phương pháp vectơ, phương pháp tọa độ,.. . . Phần
lớn các tính chất đều được chứng minh chặt chẽ, có thể tìm thấy trong các tài liệu
tham khảo, trừ những chứng minh dễ dàng nhận được sẽ dành cho bạn đọc và
xem như bài tập. Các tính chất và khái niệm của từng đối tượng sẽ được xét trong
những mục tiêu (hệ tọa độ) phù hợp (affine hay trực chuẩn). Đồng thời, nhiều ví
dụ được trình bày chi tiết giúp cho việc tìm hiểu lí thuyết tốt hơn. Nội dung của
quyển sách được chia làm bốn chương.
Chương 1. Vectơ và tọa độ. Trong chương này, khái niệm vectơ và các phép
tốn vectơ được trình bày kĩ. Bên cạnh đó, khái niệm hệ vectơ phụ thuộc tuyến
tính, độc lập tuyến tính, tâm tỉ cự và tích hỗn hợp cũng được bổ sung. Về phương

pháp tọa độ, mục tiêu affine (hệ tọa độ xiên), hệ tọa độ trực chuẩn trong mặt
phẳng và trong khơng gian được trình bày kĩ, chặt chẽ về cơ sở với mong muốn
giúp người đọc có cái nhìn thấu đáu về nền tảng của hình học. Và qua đó, có thể
tìm hiểu về các hình học khác tốt hơn, chẳng hạn hình học affine, hình học Euclide.
Ở cuối chương, tọa độ cực, tọa độ trụ và tọa độ cầu cũng được giới thiệu sơ lược
để giúp người đọc thấy rằng tồn tại nhiều hệ tạo độ khác và bước đầu làm quen
với cơ sở cho các mơn học Tốn khác.
Chương 2. Đường thẳng-Mặt phẳng. Khái niệm và tính chất của đường
thẳng trong mặt phẳng và trong khơng gian đều được hệ thống hóa đầy đủ, cùng
với khái niệm và tính chất của mặt phẳng trong khơng gian. Bên cạnh đó, chúng
tơi cịn bổ sung vào phần nửa mặt phẳng và nửa không gian, cùng một số ví dụ
minh họa việc áp dụng phương pháp tọa độ để giải bài tốn hình học.
Chương 3. Đường bậc hai. Ba đường conic (ellipse, hyperbol và parabol)
là đối tượng quen thuộc được giới thiệu trước tiên nhằm giúp người đọc dễ tiếp
cận với đối tượng chính của chương này là đường bậc hai tổng quát và một số chủ
đề liên quan như tâm, phương tiệm cận, .... Đồng thời, các dấu hiệu để nhận biết
đường bậc hai nhờ các bất biến của đa thức bậc hai được trình bày chi tiết và đầy
đủ. Đây có thể xem là một nội dung đặc biệt thú vị trong chương này.
Chương 4. Mặt bậc hai. Mặt tròn xoay, mặt tròn xoay bậc hai và mặt bậc
hai là những đối tượng được xét đến đầu tiên trước khi tiếp cận với mặt bậc hai
tổng quát và một số chủ đề liên quan như tâm, giao của mặt bậc hai và mặt
phẳng, ... của mặt bậc hai. Và các tính chất của hai mặt kẻ bậc hai đặc biệt, đó
là hyperboloid một tầng và paraboloid hyperbolic (hay mặt yên ngựa), cũng được
trình bày khá đầy đủ và chi tiết. Bên cạnh đó, các hình ảnh minh họa cho các cơng
trình xây dựng trong thực tế mô phỏng theo một số mặt bậc hai đặc biệt cũng


6

Giới thiệu

được trình bày nhằm giúp người đọc thấy được tốn học khơng phải là các gì đó
xa rời thực tế.
Việc nắm vững một số kiến thức cơ bản về không gian vectơ như cơ sở và tọa
độ của vectơ, và dạng tồn phương trong Đại số tuyến tính là cần thiết để tiếp cận
nội dung của quyển sách này một cách thuận lợi. Ở cuối mỗi chương đều có phần
bài tập phong phú để thực hành và củng cố những nội dung lí thuyết được trình
bày trước đó. Làm càng nhiều bài tập càng tốt cho việc tìm hiểu và nắm vững
những kiến thức liên quan, nhất là đối với việc học Tốn học. Có thể nói quyển
sách này là kết quả của việc tổng hợp và chọn lọc những phần ưu điểm của các tài
liệu tham khảo.
Việc tóm tắt lí thuyết cho mỗi chương sau khi học là rất cần thiết và thú vị.
Vì vậy, việc đó được dành cho người đọc. Hy vọng rằng quyển sách này sẽ giúp ích
cho sinh viên ngành Tốn và có thể dùng làm tài liệu tham khảo cho các bạn đồng
nghiệp. Và chúng tôi xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp đã nhiệt tình đóng góp ý
kiến để quyển sách được hoàn thiện hơn. Rất mong nhận được những ý kiến đóng
góp q báu để quyển sách được tốt hơn nữa.
Bình Dương, tháng 11 năm 2015
Tác giả


Chương 1
VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ
1.1
1.1.1

Khái niệm vectơ. Các phép toán đối với vectơ
Khái niệm vectơ

Định nghĩa 1.1.1. Trong mặt phẳng hoặc trong không gian, cho hai điểm A và

B. Đoạn thẳng AB được sắp thứ tự hai điểm mút được gọi là một vectơ hay một
đoạn thẳng có hướng. Một điểm được gọi là điểm đầu, điểm còn lại được gọi là
−→
điểm cuối. Đường thẳng (AB) được gọi là giá của vectơ AB.
−→
Nếu A là điểm đầu, B là điểm cuối thì vectơ được kí hiệu là AB. Vectơ cịn có
→
−
−
−
−
thể kí hiệu là →
a , b ; ..., →
x ,→
y , ....
−→
Độ dài của đoạn thẳng AB được gọi là độ dài hay module của AB và kí hiệu
−→
−→
−→
−→
độ dài của AB là |AB|. Suy ra hai vectơ AB và BA có độ dài bằng nhau.
−→
−−→
Định nghĩa 1.1.2. Hai vectơ AB và CD được gọi là hai vectơ cùng phương hay
cộng tính nếu các đường thẳng AB và CD song song hoặc trùng nhau.
−→ −−→
Hai vectơ cùng phương AB và CD được gọi là cùng hướng nếu xảy ra một trong
hai trường hợp sau đây (xem Hình 1.1):
(i) Nếu hai đường thẳng AB và CD song song và hai điểm B và D nằm cùng

phía đối với đường thẳng AC.
(ii) Nếu hai đường thẳng AB và CD trùng nhau và một trong hai tia AB (gốc
A) và tia CD (gốc C) chứa tia kia.
D
B

C
A

B

C

A

Hình 1.1: Hai vectơ cùng hướng.

D


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

8

Hai vectơ cùng phương mà khơng cùng hướng thì được gọi là hai vectơ ngược
hướng.
→
−
→
−

−
−
Định nghĩa 1.1.3. Hai vectơ →
a và b được gọi là bằng nhau, kí hiệu →
a = b,
nếu chúng có cùng hướng và cùng độ dài.
−
−
−
Vectơ đối của vectơ →
a , kí hiệu −→
a , là vectơ ngược hướng với →
a và có độ dài
→
−
bằng với độ dài của a .
−→ −−→
Đặc biệt, vectơ có điểm đầu và điểm cuối trùng nhau như: AA, M M ,... được
→
−
gọi là vectơ-khơng, kí hiệu 0 . Độ dài của vectơ-không bằng 0.
Quy ước: vectơ-không cùng phương và cùng hướng với mọi vectơ. Từ đó suy ra
mọi vectơ-khơng đều bằng nhau.

1.1.2

Các phép tốn đối với vectơ

Cộng và trừ vectơ

→
−
−
Định nghĩa 1.1.4. Tổng của hai vectơ →
a và b là một vectơ được xác định như
−→ −
sau: từ một điểm O tùy ý trong không gian, dựng vectơ OA = →
a , rồi từ A dựng
→
−
−→
−−→
→
−
vectơ AB = b (xem Hình 1.2). Vectơ c = OB được gọi là vectơ tổng của hai
→
−
→
−
−
−c = →
−
vectơ →
a và b . Kí hiệu →
a + b.
−
−
−
Tương tự, ta có thể định nghĩa tổng của n vectơ →
a ,→

a , ...., →
a .
1

2

n

A

→
−
b

→
−
a

O

→
−
→
−c = →
−
a + b

B

Hình 1.2: Cộng vectơ.

Từ định nghĩa suy ra phép cộng vectơ có các tính chất sau.
→
−
→
− −
−
Mệnh đề 1.1.5. (i) Giao hốn: →
a + b = b +→
a.
→
−
→
−
−
−c = →
−
−c ).
(ii) Kết hợp: (→
a + b )+→
a +( b +→
→
−
−
−
(iii) Có vectơ khơng: →
a + 0 =→
a.
→
−

→
−
→
−
(iv) Có vectơ đối: a + (− a ) = 0 .
→
−
−→
−→
−−→
−
−
Chứng minh. (i) Đặt OA = →
a , AB = b và BC = →
a xem Hình 1.3. Khi đó,
OACB là hình bình hành và theo định nghĩa tổng của hai vectơ, ta có
→
−
−→ −→ −−→
→
−
a + b = OA + AB = OB,
→
− →
−→ −−→ −→
b +−
a = AB + BC = AC
→
−
→

− −
−
=⇒ →
a + b = b +→
a.
Chứng minh của các phần (ii), (iii), (iv) là hoàn toàn tương tự với chứng minh
trên.


1.1 Khái niệm vectơ. Các phép tốn đối với vectơ

9

Hình 1.3:

→
−
−
Nhận xét 1.1.6. Vectơ tổng →
a + b là vectơ đường chéo của hình bình hành nên
người ta cịn nói phép cộng hai vectơ thực hiện theo quy tắc hình bình hành. Định
nghĩa phép cộng hai vectơ như vậy phù hợp với quy tắc hợp hai lực đồng qui trong
cơ học.
→
−
→
−
−
−
−

Định nghĩa 1.1.7. Hiệu của hai vectơ →
a và b , kí hiệu →
a − b , là một vectơ →
x
→
− →
→
−
−
→
−
→
−
→
−
sao cho b + x = a . Người ta gọi vectơ x là vectơ hiệu và viết x = a − b .
Nhân một số với một vectơ

−
−
Định nghĩa 1.1.8. Tích của một số k với một vectơ →
a là một vectơ, kí hiệu k →
a,
−
−
−
có độ dài bằng |k|.|→
a |, cùng hướng với vectơ →
a nếu k > 0, ngược hướng với →
a

nếu k < 0 (xem Hình 1.4).

→
−
a

→
−
a

→
−
−
b = k→
a (k > 0)

→
−
−
b = k→
a (k < 0)

Hình 1.4: Nhân một số với vectơ.

Phép nhân một số với một vectơ có các tính chất cơ bản sau đây. Các chứng
minh được xem như bài tập.
→
−
−
Mệnh đề 1.1.9. Với mọi vectơ →

a , b và mọi số thực k, l tùy ý, ta có
−
−
(i) 1.→
a =→
a.
→
−
−
(ii) (−1). a = −→
a.
→
−
−
(iii) k(l a ) = (kl)→
a.
→
−
→
−
→
−
−
(iv) k( a + b ) = k →
a +k b .
−
−
−
(v) (k + l)→
a = k→

a + l→
a.
Khái niệm vectơ và các phép toán đối với vectơ được định nghĩa như trong mục
này sẽ làm cho mặt phẳng và không gian trở thành một không gian vectơ trừu
tượng theo nghĩa Đại số tuyến tính. Tuy nhiên, do mục tiêu của chúng tơi là muốn
có một tài liệu tham khảo phù hợp với cả người đọc là học sinh phổ thông nên các
khái niệm và phép tốn được trình bày một cách sơ cấp.


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

10

1.1.3

Hệ vectơ phụ thuộc tuyến tính, độc lập tuyến tính

−
−
→
−
Định nghĩa 1.1.10. Cho m vectơ →
a1 , →
a2 , ..., −
a→
m và m số k1 , k2 , ..., km . Vectơ k1 a1 +
−
→
− →
−

−
→
k2 →
a2 + ... + km −
a→
m được gọi là một tổ hợp tuyến tính của các vectơ a1 , a2 , ..., am với
các hệ số k1 , k2 , ..., km .
−
−
Các vectơ →
a1 , →
a2 , ..., −
a→
m được gọi là phụ thuộc tuyến tính nếu tồn tại các số
k1 , k2 , ..., km không đồng thời bằng không sao cho
→
−
−
−
k1 →
a1 + k2 →
a2 + ... + km −
a→
m = 0.
−
−
1
Ngược lại, các vectơ →
a1 , →
a2 , ..., −

a→
m được gọi là độc lập tuyến tính.
Dưới đây là một số kết quả về sự phụ thuộc tuyến tính, độc lập tuyến tính của
hệ vectơ.
−
−
Định lí 1.1.11. Hệ các vectơ →
a1 , →
a2 , ..., −
a→
m , m > 1, phụ thuộc tuyến tính khi và
chỉ khi có ít nhất một trong các vectơ ấy là một tổ hợp tuyến tính của các vectơ
cịn lại.
−
−
Chứng minh. ⇒ / Giả sử m vectơ →
a1 , →
a2 , ..., −
a→
m phụ thuộc tuyến tính. Khi đó, có
m số k1 , k2 , ..., km không đồng thời bằng không sao cho
→
−
−
−
k1 →
a1 + k2 →
a2 + ... + km −
a→
m = 0.

Khơng mất tính tổng qt, giả sử k1 = 0. Suy ra
k2 −
km −
→
−
a1 = − →
a2 − ... −
a→
m
k1
k1
−
−
hay →
a1 là tổ hợp tuyến tính của →
a2 , ..., −
a→
m.
⇐ / Khơng mất tính tổng quát, giả sử −
a→
m là tổ hợp tuyến tính của các vectơ
→
−
−
−
→
a1 , ..., am−1 . Khi đó, có m − 1 số x1 , x2 , ..., xm−1 sao cho
−
→
−

→
−
−−→
a→
m = x1 a1 + x2 a2 + · · · + xm−1 am−1 .
→
−
−
−
−→ − −
→
− →
−
Do đó, ta có x1 →
a1 + x2 →
a2 + · · · + xm−1 −
am−1
a→
m = 0 . Vậy các vectơ a1 , a2 , ... và
−
→
am phụ thuộc tuyến tính.
Từ định lí 1.1.11 hệ quả trực tiếp sau đây.
Hệ quả 1.1.12. (i) Điều kiện cần và đủ để hai vectơ phụ thuộc tuyến tính là chúng
cùng phương.
(ii) Hệ hai vectơ độc lập tuyến tính khi chúng khơng cùng phương.
(iii) Nếu hệ vectơ chứa vectơ-khơng thì hệ phụ thuộc tuyến tính.
Định lí 1.1.13. (i) Ba vectơ phụ thuộc tuyến tính khi và chỉ khi chúng đồng phẳng2 .
(ii) Bốn vectơ bất kì trong khơng gian R3 đều phụ thuộc tuyến tính.
→

−
−
−
→
−
→
−
−→
Hệ vectơ →
a1 , →
a2 , ..., −
a→
m độc lập tuyến tính khi và chỉ khi nếu k1 a1 + k2 a2 + · · · + km am = 0 thì
k1 = k2 = ... = km = 0.
2
Cùng thuộc một mặt phẳng.
1


1.1 Khái niệm vectơ. Các phép toán đối với vectơ

11

→
−
−
−c phụ thuộc tuyến tính. Khi đó, có ba
Chứng minh. (i) Giả sử ba vectơ →
a , b và →
→

−
−
−
−c = →
số x, y, z không đồng thời bằng không sao cho x→
a + y b + z→
0 . Không mất
− z→
y→
→
−
−
→
−
tính tổng quát, giả sử x = 0. Suy ra a = − b − c . Do đó, a cùng thuộc mặt
x
→
−
→
−x →
→
−
→
−
phẳng chứa hai vectơ b và c . Hay ba vectơ a , b và −c đồng phẳng.
→
−
→
−
−

−c đồng phẳng. Khi đó, nếu →
−
Ngược lại, giả sử →
a , b và →
a và b phụ thuộc
tuyến tính, tức là có hai số x, y trong R khơng đồng thời bằng không sao cho
→
−
→
−
→
−
→
−
−
−
−
−c = →
−
−c phụ thuộc tuyến
x→
a + y b = 0 , thì x→
a + y b + 0→
0 . Do đó, →
a , b và →
tính.
→
−
−
−c có thể

Nếu →
a và b độc lập tuyến tính, thì do tính đồng phẳng nên vectơ →
→
−
→
−
−
−c = x→
−
biểu thị tuyến tính qua →
a và b , tức là có x, y trong R sao cho →
a +yb
→
− −
→
−
−
hay x→
a +y b −→
c = 0.
→
− −
→
−
−
(ii) Xét hệ bốn vectơ trong không gian →
a , b ,→
c và d . Nếu trong bốn vectơ
→
− −

→
−
→
−
a , b ,→
c và d có chứa vectơ-khơng thì định lí đúng, xem Hệ quả 1.1.12.
→
− −
→
−
−
Giả sử →
a , b ,→
c và d đều khác vectơ-khơng. Khi đó,
* Nếu trong bốn vectơ trên có hệ ba vectơ phụ thuộc tuyến tính, chẳng hạn
→
−
→
−
−c phụ thuộc tuyến tính, thì có ba số x, y, z trong R không đồng thời
a , b và →
→
−
→
−
−
−
→
−
−

−c = →
−
−c + 0→
bằng không sao cho x→
a + y b + z→
0 . Do đó, x→
a + y b + z→
d = 0 với
→
− −
→
−
−
x, y, z không đồng thời bằng không. Vậy, hệ bốn vectơ →
a , b ,→
c và d phụ thuộc
tuyến tính.
* Xét trường hợp trong bốn vectơ trên có hệ ba vectơ độc lập tuyến tính, chẳng
→
−
→
− −
→
−
−
−c . Khi đó, lấy một điểm O và đặt các vectơ →
−
hạn →
a , b và →
a , b ,→

c và d tại
−→
−
O (xem Hình 1.5). Suy ra có bốn điểm A, B, C, D xác định sao cho OA = →
a,
− −→ →
−
−−→ →
−−→ →
−
OB = b , OC = c và OD = d .
→
− −
→
−
−
Do ba vectơ →
a , b ,→
c khác 0 và khơng đồng phẳng nên dựng được một
hình hộp có đường chéo là OD, và ba cạnh cơ sở nằm trên các đường thẳng
(OA), (OB), (OC). Theo tính chất của hình hộp, ta có
−−→ −−→ −−→ −−→
OD = OD1 + OD2 + OD3 .
−−→
−
Do OD và →
a cùng phương nên
1

−−→

−→
−
OD1 = xOA = x→
a với x ∈ R \ {0}.
Tương tự, có y, z ∈ R \ {0} sao cho
→
−
−−→
−−→
OD2 = y OB = y b ,
−−→
−→
−c .
OD3 = z OC = z →
−−→
−→
−−→
−→
Suy ra OD = xOA + y OB + z OC hay
→
−
−
→
−
−
−c − →
x→
a + y b + z→
d = 0.
→

− −
→
−
−
Vậy, hệ vectơ →
a , b ,→
c và d phụ thuộc tuyến tính.
−
−
−
Định lí 1.1.14. Cho hai vectơ →
a1 và →
a2 khơng cùng phương. Bất kì một vectơ →
a
→
−
→
−
nào đồng phẳng với a1 và a2 cũng có thể khai triển theo các vectơ ấy, tức là
→
−
−
−
a = x→
a + y→
a ,
1

và sự khai triển ấy là duy nhất.

2


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

12

D3

P

N

D

C

O

B
D2

A

D1

M

Hình 1.5: Phân tích vectơ.

−
−
−
Chứng minh. Tồn tại. Do ba vectơ →
a1 , →
a2 và →
a đồng phẳng nên chúng phụ thuộc
−
−
tuyến tính, xem Định lí 1.1.13. Và theo giả thiết →
a1 và →
a2 độc lập tuyến tính nên
→
−
→
−
→
−
có x1 , y1 thuộc R sao cho a = x1 a1 + y1 a2 , xem Định lí 1.1.11.
−
−
−
Duy nhất. Giả sử có x2 , y2 trong R sao cho →
a = x2 →
a1 + y2 →
a2 . Khi đó, ta có
→
−
−
−

−
−
0 =→
a −→
a = (x1 − x2 )→
a1 + (y1 − y2 )→
a2 .
−
−
Lại do giả thiết →
a và →
a độc lập tuyến tính nên suy ra
1

2


x

= x2
0 = x1 − x2 = y1 − y2 ⇐⇒  1
y1 = y2 .
−
−
−
Định lí 1.1.15. Trong không gian R3 , cho ba vectơ →
a1 , →
a2 và →
a3 khơng đồng phẳng.
→

−
Bất kì một vectơ a nào trong khơng gian cũng có thể khai triển theo các vectơ ấy,
tức là
→
−
−
−
−
a = x→
a1 + y →
a2 + z →
a3 ,
và sự khai triển ấy là duy nhất.
Chứng minh. Chứng minh tương tự như chứng minh của Định lí 1.1.14.

1.1.4

Chiếu vectơ

→
−
−→ −
→
−
−
Định nghĩa 1.1.16. Cho hai vectơ →
a và b đều khác 0 . Từ O ta vẽ OA = →
a
−
→

−
−−→ →
→
−
và OB = b . Khi đó, góc AOB được gọi là góc hợp bởi hai vectơ a và b , kí hiệu
→
−
→
−
−
(→
a , b ). Nếu một trong hai vectơ là 0 thì góc giữa chúng xem bằng bao nhiêu
cũng được.
→
−
−
00 ≤ (→
a , b ) ≤ 1800 .
→
−
→
−
−
−
Nếu (→
a , b ) = 900 thì ta nói hai vectơ →
a và b trực giao (hay vng góc), kí
→
−
−

hiệu →
a ⊥ b.


1.1 Khái niệm vectơ. Các phép toán đối với vectơ

13

Định nghĩa 1.1.17. Một đường thẳng trên đó đã chọn một vectơ đơn vị3 được
gọi là một trục. Hướng của vectơ đơn vị được gọi là hướng của trục.
−
−
Định nghĩa 1.1.18. Cho trục ∆ có vectơ đơn vị →
e và vectơ →
a khác vectơ-khơng.
→
−
→
−
→
−
−
Góc giữa a và trục ∆ là góc giữa vectơ a và vectơ b cùng phương với vectơ →
e
→
−
→
−
sao cho 00 ≤ ( a , b ) ≤ 900 .
−

Cho một trục ∆ với →
e là vectơ đơn vị, một mặt phẳng P không song song với
−
→
→
−
∆ và một a = AB tùy ý trong không gian. Qua A và B dựng các mặt phẳng song
song với P cắt ∆ ở A1 và B1 . Các điểm A1 và B1 được gọi là các điểm chiếu của
−−−→
các điểm A và B (tương ứng) trên ∆ theo phương P. Vectơ A1 B1 được gọi là vectơ
−→
−→
chiếu (hay hình chiếu) của AB trên ∆ theo phương P. Kí hiệu prP∆ AB.
−−−→
−−−→
−−−→
−
−
Khi đó, ta có A1 B1 = p→
e , p > 0 nếu A1 B1 và →
e cùng hướng; p < 0 nếu A1 B1
−→
−
và →
e ngược hướng. Số p được gọi là độ dài hình chiếu của vectơ AB trên trục ∆
theo phương P và kí hiệu
−→
−
p = | prP∆ AB| hay p = | prP∆ →
a |.

Người ta còn gọi p là độ dài đại số của A1 B1 và kí hiệu p = A1 B1 .
Dưới đây là một số tính chất cơ bản của phép chiếu vectơ mà chứng minh khơng
được trình bày ở đây và có thể tìm thấy trong [?].
Mệnh đề 1.1.19. (i) Các vectơ bằng nhau có hình chiếu (trên cùng một trục, theo
cùng một phương) bằng nhau, tức là
→
−
→
−
→
−
−
a = b =⇒ prP∆ →
a = prP∆ b .
(ii) Hình chiếu của vectơ tổng bằng tổng các hình chiếu của các vectơ thành
phần, nghĩa là
→
−
→
−
−
−
prP∆ (→
a + b ) = prP∆ →
a + prP∆ b .
Mệnh đề sau đây chỉ đúng trong trường hợp mặt phẳng P vng góc với ∆
(phép chiếu vng góc).
Mệnh đề 1.1.20. Độ dài của hình chiếu của một vectơ trên một trục bằng độ dài
của vectơ nhân với cosin của góc giữa trục và vectơ.

1.1.5

Tích vơ hướng của hai vectơ

→
−
−
Định nghĩa 1.1.21. Cho hai vectơ →
a và b bất kì. Tích vơ hướng của hai vectơ
→
−
→
−
→
−
→
−
→
−
−
−
−
a và b , kí hiệu →
a · b , là số thực |→
a || b | cos(→
a , b ).
→
−
→
−

→
−
→
−
−
−
a · b = |→
a || b | cos(→
a , b ).
Từ định nghĩa suy ra hai vectơ trực giao với nhau khi và chỉ khi tích vơ hướng
2
−
−
của chúng bằng 0. Và →
a 2 = |→
a | . Dưới đây là một số tính chất cơ bản đã biết của
tích vơ hướng.
3

Vectơ có độ dài bằng 1.


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

14

→
− −
−
Mệnh đề 1.1.22. Cho ba vectơ →

a , b ,→
c bất kì và các số thực k, l tùy ý. Ta có
→
−
→
− →
→
−
−
(i) Giao hoán: a · b = b · a .
→
−
→
−
−
−
(ii) (k →
a ) · b = k(→
a · b ).
→
− −
→
− − →
−
−
(iii) Phân phối với phép cộng vectơ: →
a ·( b +→
c)=→
a · b +→
a · −c .

→
−
→
− −
−
Chứng minh. (i) Theo định nghĩa của góc giữa hai vectơ, ta có (→
a , b ) = ( b ,→
a ).
Do đó,
→
−
→
−
→
−
→
− −
→
− −
→
− −
→
−
−
−
a · b = |→
a || b | cos(→
a , b ) = | b ||→
a | cos( b , →
a)= b ·→

a.
(ii) Ta có
→
−
→
−
→
−
→
−
→
−
−
−
−
−
−
(k →
a ) · b = |k →
a || b | cos(k →
a , b ) = |k||→
a || b | cos(k →
a , b ).
→
−
→
−
−
−
−

−
* Nếu k ≥ 0, thì k →
a cùng hướng với →
a . Do đó, (k →
a , b ) = (→
a , b ). Suy ra
→
−
→
−
→
−
→
−
→
−
→
−
−
−
−
−
−
−
|k||→
a || b | cos(k →
a , b ) = k|→
a || b | cos(k →
a , b ) = k|→
a || b | cos(→

a , b ).
→
−
→
−
−
−
−
−
* Nếu k < 0, thì k →
a ngược hướng với →
a . Do đó, (k →
a , b ) = π − (→
a , b ). Suy
ra
→
−
→
−
→
−
→
−
−
−
−
−
|k||→
a || b | cos(k →
a , b ) = −k|→

a || b | cos(k →
a, b)
→
−
→
−
−
−
= −k|→
a || b | cos(π − (→
a , b ))
→
−
→
−
−
−
= k|→
a || b | cos(→
a , b ).
→
−
→
−
−
−
Vậy, (k →
a ) · b = k(→
a · b ).
→

−
−
−→ →
−−→ −
−→
−
−c là ba vectơ tùy ý. Đặt →
−
(iii) Xét →
a , b và →
a = OA, b = OB, →
c = OC,
→
− →
→
−
−−→
b + −c = d = OD và điểm E là hình chiếu vng góc của B lên OD như Hình
1.6. Gọi
→
−
−
α = (→
a , b ) = AOB,
→
− −
→
−
−
−

β = (→
a, b +→
c ) = (→
a , d ) = AOD,
−
−c ) = AOC,
γ = (→
a ,→
→
− →
−
δ = ( b , d ) = BOD,
−
−c , →
θ = (→
d ) = COD.

Hình 1.6:


1.2 Mục tiêu affine trong mặt phẳng

15

→
− −
Khi đó, ( b , →
c ) = BOC = δ + θ = γ − α và đẳng thức cần chứng minh tương
đương với

⇔
⇔
⇔
⇔
⇔
⇔

OD cos β = OB cos α + OC cos γ
OD cos β sin δ sin θ = OB cos α sin δ sin θ + OC cos γ sin δ sin θ
OE cos β sin δ sin θ + ED cos β sin δ sin θ = OB cos α sin δ sin θ + OC cos γ sin δ sin θ
BE cos β(cos δ sin θ + sin δ cos θ) = BE(cos α sin θ + cos γ sin δ)
cos β(cos δ sin θ + sin δ cos θ) = cos α sin θ + cos γ sin δ
cos β sin(δ + θ) = cos α sin θ + cos γ sin δ
cos β sin(γ − α) = cos α sin(γ − β) + cos γ sin(β − α).

Bằng tính tốn trực tiếp, đẳng thức cuối cùng là đúng.
Ví dụ 1.1.23. Cho tam giác ABC có AB = 3, BC = 4 và góc ABC = 600 . Hãy
−→ −−→
−−→ −→
tính BA · BC và BC · CA.
Giải. −→ −−→
Ta có BA · BC = AB.BC cos 600 = 6.
√
Áp dụng định lí cosin cho tam giác ABC, ta tính được CA = 13. Lại áp dụng
định lí cosin cho tam giác ABC tại góc C, ta được
BC 2 + AC 2 − AB 2
BC.CA cos C =
= 10.
2
−−→ −→

Do đó, BC · CA = BC.CA cos(π − C) = −BC.CA cos C = −10.

1.2
1.2.1

Mục tiêu affine trong mặt phẳng
Mục tiêu affine-Tọa độ

Định nghĩa 1.2.1. Trong mặt phẳng, chọn một điểm O và hai vectơ không cộng
→
−
→
−
→
− →
−
tuyến i và j . Khi đó, bộ ba (O; i , j ) được gọi là một mục tiêu affine, hay còn
gọi là hệ tọa độ affine.
→
− →
−
Cặp hai vectơ có thứ tự { i , j } gọi là cơ sở vectơ của hệ tọa độ.
Ta cũng kí hiệu mục tiêu đó là Oxy, với Ox, Oy là các đường thẳng đi qua O
→
−
→
−
và có vectơ chỉ phương lần lượt là i và j .
Điểm O được gọi là gốc tọa độ , các đường thẳng Ox và Oy gọi là các trục tọa
độ , Ox là trục hồnh và Oy là trục tung (xem Hình 1.7).

Tọa độ của vectơ

→
− →
−
−
Định nghĩa 1.2.2. Xét mặt phẳng với mục tiêu affine (O; i , j ). Một vectơ →
u bất
→
−
→
−
kì của mặt phẳng được phân tích một cách duy nhất theo hai vectơ cơ sở i và j
→
−
→
−
−
(xem Định lí 1.1.14), tức là có duy nhất cặp số thực (x, y) sao cho →
u = x i +y j .
−
Khi đó, cặp số thực (x, y) được gọi là tọa độ của vectơ →
u đối với mục tiêu đã cho
→
−
→−
→ = (x, y).
và kí hiệu u (O;−
i,j)

Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

16

y

→
−
j

O

→
−
j

→
−
i

x
O

→
−
i

Hình 1.7: Mục tiêu affine trong mặt phẳng.

−
Có thể viết là →
u = (x, y) nếu khơng sợ nhầm lẫn về mục tiêu. Ta có
→
−
→
−
→
−
−
u = (x, y) ⇔ →
u =x i +y j .
Ta có kết quả sau đây.
Mệnh đề 1.2.3. (i) Hai vectơ bằng nhau khi và chỉ khi tọa độ của chúng bằng
nhau.
−
−
−
−
(ii) Nếu →
u = (x1 , y1 ), →
v = (x2 , y2 ) và k ∈ R thì →
u +→
v = (x1 + x2 , y1 + y2 ) và
−
k→
u = (kx1 , ky1 ).
→
−

→
−
−
−
(iii) Nếu →
u = (x1 , y1 ) = 0 và →
v = (x2 , y2 ) = 0 cộng tuyến thì các tọa độ của
chúng tỉ lệ.
−
−
−
−
→−
→
= (x , y ) và
Chứng minh. (i) Xét hai vectơ →
u và →
v . Giả sử →
u
→
−
→−
→ = (x2 , y2 ). Khi đó, ta có
v (O;−
i,j)

(O; i , j )

1

1

→
−
→
−
→
− −
→
−
→
−
v = x2 i + y2 j .
u = x 1 i + y1 j , →
Do đó,
→
−
−
u =→
v
→
−
→
−
→
−
→
−
⇔ x1 i + y1 j = x2 i + y2 j
→

−
→
−
→
−
⇔ (x1 − x2 ) i + (y1 − y2 ) j = 0
⇔


x

= x2
 y1 = y 2 .
1

Các chứng minh của (ii) và (iii) là hoàn toàn tương tự và xem như bài tập.
Tọa độ của điểm

Định nghĩa 1.2.4. Trên mặt phẳng với mục tiêu affine Oxy, với mọi điểm M bất
−−→
kì của mặt phẳng, tọa độ của vectơ OM được gọi là tọa độ của điểm M đối với
mục tiêu đã cho và kí hiệu M (x, y) hay M = (x, y).
Nếu M (x1 , y1 ), N (x2 , y2 ) thì
−−→ −−→ −−→
M N = ON − OM = (x2 − x1 , y2 − y1 ).


1.2 Mục tiêu affine trong mặt phẳng

1.2.2

17

Đổi mục tiêu affine

→
− →
−
→
− →
−
Cho hai mục tiêu affine (O; i , j ) và (O ; i , j ). Giả sử điểm M có tọa độ
→
− →
−
→
− →
−
(x, y) đối với mục tiêu (O; i , j ), có tọa độ (x , y ) đối với mục tiêu (O ; i , j ).
→
− →
−
→
− →
−
Và giả sử đối với mục tiêu (O; i , j ) điểm O và các vectơ i , j có tọa độ là
→
−
→
−

O (a0 , b0 ), i = (a1 ; b1 ), j = (a2 , b2 ),
tức là
→
−
→
−
→
−
i = a1 i + b1 j ,
→
−
→
−
→
−
j = a2 i + b2 j ,
−−→
→
−
→
−
OO = a0 i + b0 j .
→
−
→
−
−−→
→
−
→

− −−→
Theo giả thiết, ta có OM = x i + y j , O M = x i + y j . Suy ra
−−→
→
−
→
−
→
−
→
−
→
−
→
−
O M = x i + y j = x (a1 i + b1 j ) + y (a2 i + b2 j )
→
−
→
−
= (a1 x + a2 y ) i + (b1 x + b2 y ) j .
−−→ −−→ −−→
→
−
→
−
Mặt khác, O M = OM − OO = (x − a0 ) i + (y − b0 ) j , suy ra

a

+ a2 y = x − a0
b 1 x + b 2 y = y − b 0
1x

hay

x

= a1 x + a2 y + a0
y = b1 x + b2 y + b0 .

(1.1)

Khi đó, ta có ma trận
Ç

å

a a
A= 1 2 ,
b1 b2
được gọi là ma trận của phép đổi mục tiêu (1.1)4 . Dễ thấy det A = 0.
Công thức (1.1) được gọi là công thức đổi mục tiêu affine.
Nếu det A > 0 thì hai hệ tọa độ đã cho được gọi là cùng hướng; ngược lại, được
gọi là ngược hướng.
Dễ thấy, tính chất cùng hướng là một quan hệ tương đương trên tập tất cả các
mục tiêu affine trên mặt phẳng. Tập hợp các mục tiêu affine trong mặt phẳng được
chia thành hai lớp tương đương. Nếu qui ước gọi các mục tiêu thuộc một lớp là
mục tiêu thuận (hay có hướng thuận) thì các mục tiêu thuộc lớp cịn lại gọi là mục
tiêu nghịch (hay có hướng nghịch). Khi đó, mặt phẳng được gọi là mặt phẳng định

hướng. Ta thường lấy mục tiêu thuận là mục tiêu có số đo của góc định hướng giữa
→
−
→
−
hai vectơ i và j là dương; ngược lại, là mục tiêu nghịch.
4

Cơng thức (1.1) có thể viết dưới dạng ma trận như sau
ï ò ï
òï ò ï ò
x
a1 a2 x
a
=
+ 0 .
y
b1 b2 y
b0


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

18

→
−
j
O

→
−
i

(a)

→
−
i

O

(b)

→
−
j

Hình 1.8: (a) Mục tiêu affine thuận, (b) Mục tiêu affine nghịch.

Ví dụ 1.2.5. (1) Trong mặt phẳng, hãy viết công thức đổi mục tiêu từ mục tiêu
→
− →
−
→
− →
−
(O; i , j ) sang mục tiêu (O ; i , j biết
→
−

→
− →
−
i = i − j,
→
−
→
−
j = −2 j ,
−−→
→
− →
−
OO = 2 i − j .
Giải.
→
−
→
−
→
− →
−
Theo giả thiết, ta có tọa độ của O , i và j đối với mục tiêu (O; i , j ) lần
lượt là (2, −1), (1, −1) và (0, −2).
Do đó, cơng thức đổi mục tiêu cần tìm là

x
y

=x +2

= −x − 2y − 1.

→
−
(2) Trong mặt phẳng với mục tiêu affine đã chọn, cho O(1, 1), O (0, 1) và i =
→
−
→
−
→
−
(1, 1), j = (1, 2), i = (2, −1) và j = (1, −1).
→
− →
−
→
− →
−
(a) Chứng minh rằng (O; i , j ) và (O ; i , j ) là hai mục tiêu.
→
− →
−
→
− →
−
(b) Hãy viết công thức đổi mục tiêu từ (O; i , j ) sang (O ; i , j ).
(c) Hai mục tiêu trên có cùng hướng khơng?
→
− →
−

(d) Hãy tìm điểm N và tọa độ của N đối với mục tiêu (O; i , j ) khi biết
→−
→ = (−1, 1).
N (O ;−
i ,j )
(e) Hãy tìm những điểm có cùng tọa độ đối với hai mục tiêu trên.
Giải.
→
− →
−
(a) Xét hệ vectơ { i , j }. Ta có

⇔
⇔

→
−
→
−
→
−
x i +y j = 0
x(1, 1) + y(1, 2) = (0, 0)

x + y

=0
x + 2y = 0

⇔ x = y = 0.

→
−
→
−
→
− →
−
Suy ra i và j độc lập tuyến tính. Vậy, (O; i , j ) là mục tiêu.
→
− →
−
Lập luận tương tự, ta cũng chứng minh được (O ; i , j ) là mục tiêu.


1.2 Mục tiêu affine trong mặt phẳng

19

−−→
(b) Ta có OO = (−1, 0).
Xét
−−→
→
−
→
−
OO = x i + y j
(−1, 0) = x(1, 1) + y(1, 2)

⇔

= −1
x + 2y = 0

⇔
Suy ra O

−
→−
→
(O; i , j )


x


x + y

⇔

= −2
y = 1.

= (−2, 1).

Lập luận tương tự, ta có
→
−
→−

→ = (5, −3),
i (O;−
i,j)
→
−
→−
→ = (3, −2).
j (O;−
i,j)
Do đó, cơng thức đổi mục tiêu cần tìm là

x

= 5x + 3y − 2
y = −3x − 2y + 1.
(c) Ma trận của phép đổi mục tiêu là
Ç

å

5
3
A=
.
−3 −2
Do det A = −1 < 0 nên hai mục tiêu đã cho ngược hướng.
→−
→ = (−1, 1), suy ra
(d) Gọi N (a, b). Theo giả thiết N (O ;−
i ,j )

−−→
→
− →
−
O N = − i + j = (−1, 0).
−−→
Do đó, O N = (a, b − 1) = (−1, 0) hay

a
b

Vậy, N (−1, 1).
Cũng theo giả thiết N

−
→−
→
(O ; i , j )

= −1
= 1.

= (−1, 1), ta thay x = −1, y = 1 vào công thức

đổi mục tiêu, ta được x = −4, y = 2. Do đó, N

−
→−
→
(O; i , j )

= (−4, 2).

(e) Những điểm M cần tìm có tọa độ đối với hai mục tiêu trên là nghiệm hệ

x

= 5x + 3y − 2
y = −3x − 2y + 1


x

⇔

=1
y = −2/3.

−−→ →
2→
−
−
= (1, −2/3) hay OM = i − j . Suy ra điểm thỏa yêu
3
cầu bài tốn là M (4/3, 2/3) (xem câu (d)).
Do đó, điểm M

−
→−
→

(O; i , j )


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

20

(3) Trong mặt phẳng với mục tiêu affine đã chọn, cho hai mục tiêu affine
→
− →
−
→
−
→
− →
−
→
−
→
−
(O; i , j ) và (O ; i , j ) biết O(1, 1), O (0, 1) và i = (1, 1), j = (1, 2), i =
→
−
(2, −1) và j .
→
−
→
− →
−
(a) Hãy tìm vectơ j nếu biết điểm A(1, 2) có tọa độ đối với mục tiêu (O ; i , j )

là (2, 1).
→
−
−
→−
→ =
→−
→ = (1, 1) và A
(b) Hãy tìm vectơ j nếu biết điểm A có A (O;−
i,j)
(O ; i , j )
å
Ç
3 9
, .
2 2
→
− →
−
→
− →
−
(c) Hãy viết cơng thức đổi mục tiêu từ (O; i , j ) sang (O ; i , j ) nếu biết
−
→−
→ = (1, 1).
→−
→ = (−2, 5) và A
A (O;−
i,j)

(O ; i , j )
Giải.
−−→
(a) Ta có O A = (1, 1) và
−−→
→
− →
−
→
−
−−→
→
−
O A = 2 i + j ⇒ j = O A − 2 i = (−3, 3).
→−
→ = (1, 1) nên
(b) Ta có A (O;−
i,j)

−→
→
− →
−
OA = 2 i + j = (2, 3) ⇒ A(3, 4).
→
−
Lập luận tương tự như câu (a), ta tính được j = (0, 1).
→
−
(c) Cách 1. Áp dụng câu (b) có thể tìm được vectơ j . Sau đó, viết cơng thức

đổi mục tiêu như bình thường.
Cách 2. Dễ dàng tính được
→
−
→−
→ = (−2, 1), i
−
→−
→ = (5, −3).
O (O;−
i,j)
(O; i , j )
→
−
→
− →
−
→−
→ = (a, b). Khi đó, cơng thức đổi mục tiêu từ (O; i , j ) sang
Và giả sử j (O;−
i,j)
→
− →
−
(O ; i , j ) là

x = 5x + ay − 2
y = −3x + by + 1.
−
→−

→ = (1, 1) nên thay vào công thức
→−
→ = (−2, 5) và A
Theo giả thiết A (O;−
i,j)
(O ; i , j )

đổi mục tiêu trên, ta được a = −5, b = 7.
Vậy, cơng thức cần tìm là

x
y

= 5x − 5y − 2
= −3x + 7y + 1.

Phép tịnh tiến mục tiêu

→
− →
−
→
− →
−
Đổi mục tiêu affine (O; i , j ) thành (O ; i , j ) được gọi là phép tịnh tiến mục
−−→
−
tiêu theo vectơ →
v = OO = (a0 , b0 ). Khi đó, biểu thức tọa độ của phép tịnh tiến là


x

= x + a0
y = y + b0 ,

(1.2)


1.2 Mục tiêu affine trong mặt phẳng

21

ma trận của phép tịnh tiến là
Ç

å

1 0
A=
.
0 1
→
− →
−
Ví dụ 1.2.6. Trong mặt phẳng, cho hai mục tiêu affine T = (O; i , j ) và T =
→
− →
−
(O ; i , j ) và điểm A. Hãy viết công thức đổi mục tiêu từ T sang T biết A T =
(1, 1) và A T = (2, −1).

Giải.
→
− →
−
Do T và T đều có cơ sở vectơ là { i , j } nên phép đổi mục tiêu là phép tịnh
tiến. Do đó, cơng thức đổi mục tiêu có dạng

x
y

=x +a
= y + b.

Theo giả thiết ta có A T = (1, 1) và A T = (2, −1) nên

1

=2+a
1 = −1 + b


a

= −1
⇔
b = 2.

Vậy, cơng thức cần tìm là

x

y

1.2.3

=x −1
= y + 2.

Tâm tỉ cự

Định nghĩa 1.2.7. Cho hệ m điểm A1 , A2 , ...., Am và cho m số k1 , k2 , ..., km mà
k1 + k2 + · · · + km = 0. Điểm G được gọi là tâm tỉ cự của m điểm Ai , i = 1, 2, ..., m,
với m số tương ứng ki , i = 1, 2, ..., m, nếu
m
−−→ →
−
ki GAi = 0 .
i=1

Trong trường hợp k1 = k2 = · · · = km = 0 thì điểm G như thế được gọi là trọng
tâm của hệ điểm {Ai }i=1,m . Khi đó, ta có
n

−−→ →
−
GAi = 0 .

i=1

Đặc biệt, m = 2: G là trung điểm của hai điểm A1 , A2 ; m = 3 (không thẳng
hàng): G là trọng tâm của tam giác A1 A2 A3 theo nghĩa đã biết là giao điểm của

ba đường trung tuyến.
Nếu Ai (xi , yi ), i = 1, 2, ..., m, và G(x, y) thì (theo định nghĩa) ta có

trong đó

m
i=1

m









x






=









y






=

k1 x1 + k2 x2 + · · · + km xm
=
k1 + k2 + · · · + km
k1 y1 + k2 y2 + · · · + km ym
=
k1 + k2 + · · · + km

ki = k1 + k2 + · · · + km = 0.

i=1
m

ki xi

ki
i=1
m

ki yi
i=1
,
m
ki
i=1


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

22

Định nghĩa 1.2.8. Cho ba điểm A, B và C thẳng hàng, A = C. Số k được gọi
−→
−→
là tỉ số đơn của bộ ba điểm thẳng hàng có thứ tự (A, B, C) nếu AB = k AC (với
k = 1). Khi đó, ta cịn nói điểm B chia đoạn thẳng AC theo tỉ số k và kí hiệu
(A, B, C) = k.
−→
−→
−→
−→ →
−
Vì AB = k AC nên AB − k AC = 0 , vậy B là tâm tỉ cự của hai điểm A, C với
hai hệ số tương ứng 1, −k. Từ đó nếu A(x1 , y1 ), C(x2 , y2 ), B(x, y) thì ta có cơng
thức sau

x1 − kx2




x =
1−k
, với k = 1.

y1 − ky2


y =
1−k
Nếu k > 0 thì B được gọi là điểm chia ngồi đoạn thẳng AC theo tỉ số k, còn
nếu k < 0 ta gọi B là điểm chia trong đoạn thẳng AC theo tỉ số k. Đặc biệt, nếu
k = −1 thì B là trung điểm của đoạn thẳng AC.

1.3
1.3.1

Hệ tọa độ trực chuẩn trong mặt phẳng
Định nghĩa

→
− →
−
→
− →
−
Định nghĩa 1.3.1. Hệ tọa độ affine (O; i , j ) có cơ sở vectơ { i , j } gồm hai
vectơ đơn vị trực giao với nhau5 được gọi là hệ tọa độ trực chuẩn (xem Hình 1.9).
Hệ tọa độ trực chuẩn cịn được gọi là hệ tọa độ Descartes vng góc.
y

→
−
j

→
−
i

O

x

Hình 1.9: Hệ tọa độ trực chuẩn trong mặt phẳng.

Những tính chất đúng với hệ tọa độ affine cũng đúng với hệ tọa độ trực chuẩn.
Tuy nhiên, hệ tọa độ trực chuẩn có những tính chất riêng khơng cịn đúng trong
một hệ tọa độ affine bất kì.

1.3.2

Biểu thức tọa độ của tích vơ hướng

−
−
Mệnh đề 1.3.2. Trong mặt phẳng Oxy, cho hai vectơ →
u = (x1 , y1 ) và →
v =
(x2 , y2 ). Khi đó, ta có
→

−
−
u ·→
v = x1 x2 + y1 y2 .
5

→
−
→
−
→
− →
−
Tức là i 2 = j 2 = 1 và i · j = 0.


1.3 Hệ tọa độ trực chuẩn trong mặt phẳng

23

Chứng minh. Ta có
→
−
→
−
→
−
→
−
→

−
−
u ·→
v = (x1 i + y1 j ) · (x2 i + y2 j )
→
−
→
−
→
− →
−
= x1 x2 i 2 + y1 y2 j 2 + (x1 y2 + x2 y1 ) i · j
= x1 x2 + y1 y2 .

Từ Mệnh đề 1.3.2, ta có thể thu được một số công thức sau đây và chứng minh
được xem như bài tập.
−
−
Mệnh đề 1.3.3. Trong mặt phẳng (Oxy), cho →
u = (x1 , y1 ) và →
v = (x2 , y2 ). Khi
đó, ta có
»
−
−
(i) →
u 2 = x21 + y12 , hay |→
u | = x21 + y12 ;
→
−

→
−
−
−
(ii) Nếu →
u = 0 và →
v = 0 thì
→
−
−
u ·→
v
→
−
→
−
cos( u , v ) = →
=
−
→
−
| u || v |

1.3.3

»

x1 x2 + y1 y2
»
.

x21 + y12 . x22 + y22

Đổi hệ tọa độ trực chuẩn

Vì hệ tọa độ trực chuẩn cũng là mục tiêu affine nên ta có công thức đổi tọa độ
→
− →
−
→
− →
−
từ hệ tọa độ trực chuẩn (O; i , j ) sang hệ tọa độ (O ; i , j ) như sau

x
y

= a1 x + a2 y + a0
= b1 x + b2 y + b0 ,

(1.3)

−−→
→
−
→
−
→
− →
−
trong đó i = (a1 , b1 ), j = (a2 , b2 ) và OO = (a0 , b0 ) đối với hệ tọa độ (O; i , j ).

→
−
→
−
→
− →
−
Do các hệ tọa độ là trực chuẩn nên i 2 = j 2 = 1 và i · j = 0. Hay
a21 + b21 = 1, a22 + b22 = 1 và a1 a2 + b1 b2 = 0.
Do vậy, ta có thể tìm được các góc α, β sao cho a1 = cos α, b1 = sin α và a2 =
cos β, b2 = sin β. Suy ra (xem Hình 1.10)
cos(β − α) = 0 (a1 a2 + b1 b2 = 0) ⇔ β = α +
• Nếu β = α +

π
3π
+ 2kπ hoặc β = α +
+ 2kπ.
2
2

π
+ 2kπ thì
2
cos α − sin α
A=
=⇒ det A = 1.
sin α cos α
Ç

å

Do đó, công thức đổi tọa độ (1.3) trở thành

x

= x cos α − y sin α + a0
y = x sin α + y cos α + b0 .

(1.4)


Chương 1. VECTƠ VÀ TỌA ĐỘ

24

• Nếu β = α +

3π
+ 2kπ thì
2
Ç

å

cos α sin α
A=
=⇒ det A = −1.
sin α − cos α
Do đó, cơng thức đổi tọa độ (1.3) trở thành


x
y

= x cos α + y sin α + a0
= x sin α − y cos α + b0 .

(1.5)

Chú ý. Phép đổi tọa độ (1.4) bảo toàn hướng hệ tọa độ ban đầu, còn phép đổi
tọa độ (1.5) sẽ làm đảo hướng.
→
−
j

→
−
i
→
−
j

→
−
i
→
−
j

O

O

(a)

(b)

θ
α
O

→
−
i

O

α
θ

→
−
i

→
−
j

Hình 1.10: Hệ tọa độ trực chuẩn trong mặt phẳng.

Ví dụ 1.3.4. Trong mặt phẳng với hệ tọa độ trực chuẩn đã chọn, cho hai hệ tọa
→
− →
−
→
− →
−
độ trực chuẩn (O; i , j ) và (O ; i , j ). Biết
√
√
→
−
2→
2→
−
−
i =
i −
j,
√2
√2
→
−
2→
2→
−
−
j =
i +
j,

2
2
−−→
→
−
→
−
OO = i − 2 j .
→
− →
−
→
− →
−
(a) Hãy viết công thức đổi tọa độ từ hệ tọa độ (O; i , j ) sang (O ; i , j ).
→
− →
−
→
− →
−
(b) Hãy viết công thức đổi tọa độ từ hệ tọa độ (O ; i , j ) sang (O; i , j ).
→−
→ = (1, 1). Hãy tìm tọa độ của điểm M đối với
(c) Cho điểm M có M (O;−
i,j)
→
− →
−
mục tiêu (O ; i , j ).