Tài liệu BÀI GIẢNG " HÌNH HỌC KHÔNG GIAN- Véc tơ trong không gian" ppt

1

Bài giảng của thầy Thạc sỹ: Đỗ Thanh Sơn, chuyên viên Hình học

Chương I Véc tơ trong không gian.
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
1.Ðịnh nghĩa véc tơ.
Véc tơ là một đoạn thẳng có quy định một chiều.Chiều của véc tơ là thứ tự hai đầu
mút của đoạn thẳng.Ðầu mút thứ nhất được gọi là điểm đầu hoặc điểm gốc, đầu mút
thứ hai được gọi là điểm cuối hoặc điểm ngọn.Ðộ dài của đoạn thẳng là độ dài véc
tơ.Ðường thẳng đi qua điểm đầu và điểm cuối của véc tơ được gọi là phương của véc
tơ.
Véc tơ được ký hiệu bằng một trong hai cách sau: Dùng hai chữ in la tinh viết liền
nhau
→
và phía trên hai chữ đó ta đặt một mũi tên,chẳng hạn AB (đọc là véc tơAB), chữ A chỉ
→
gốc, chữ B chỉ ngọn của véc tơ.Ðộ dài véc tơ đó được ký hiệu AB hoặcAB.Một
cách
→
khác là dùng một chữ thường và phía trên đặt một mũi tên, chẳng hạn U (đọc là véc tơ
→
U ).Ðộ dài của véc tơ đó được ký hiệu là U hoặc U.
Véc tơ có điểm đầu và điểm cuối trùng nhau được gọi là véc tơ không.Véc tơ không
→
có độ dài bằng 0, phương và chiều không xác định.Véc tơ không được ký hiệu AA
hoặc
→
0 .
2.Quan hệ của các véc tơ trong không gian.

Hai véc tơ đồng phương hoặc không đồng phương
→ → →
Hai véc tơ U, V (khác 0)được gọi là đồng phương,nếu chúng nằm trên cùng một

đường thẳng hoặc nằm trên hai đường thẳng song song.Ta ký hiệu U // V.
→ → →
Hai véc tơ U, V (khác 0)được gọi là không đồng phương,nếu chúng nằm trên hai
→ →
đường thẳng cắt nhau hoặc chéo nhau.Ta ký hiệu U // V.
→
Hiển nhiên nếu hai véc tơ (khac 0) cùng đồng phương với một véc tơ thứ ba (khác
→ →
0 ), thì hai véc tơ đó đồng phương.Ta quy ước một véc tơ 0 luôn cùng phương với
một véc tơ khác không.

2

Hai véc tơ cùng chiều hoặc ngược chiều
→ → → → →
Cho hai véc tơ khác 0 và đồng phương U , V.Khi đó tồn tại một mặt phẳng P chứa U,
V.
→ →
Nếu trong P cả hai véc tơ đó cùng chiều, thì ta nói U và V cùng chiều trong không
gian.

→ →
Nếu trong P cả hai véc tơ đó ngược chiều, thì ta nói U và V ngược chiều trong không
gian.
→ →
Hiển nhiên hai véc tơ khác 0 cùng chiều với một véc tơ thứ ba (khác 0), thì hai véc

tơ đó cùng chiều.Nếu một trong hai véc tơ cùng chiều với véc tơ thứ ba, véc tơ còn lại
ngược chiều với véc tơ thứ ba, thì hai véc tơ ngược chiều.
→ → → →
Ta ký hiệu hai véc tơ U , V cùng chiều là U ↑↑ V.Nếu hai véc tơ đó ngược chiều,
thì
→ →
được ký hiệu là U ↑↓ V. Ta quy định một véc tơ không luôn cùng chiều với một véc tơ
khác không.
Hai véc tơ bằng nhau hoặc hai véc tơ đối nhau
→ → → →
Hai véc tơ U, V được gọi là bằng nhau và được ký hiệu U = V, nếu chúng cùng
chiều và cùng độ dài.
→ → → →
Hai véc tơ U, V được gọi là đối nhau và được ký hiệu U = - V, nếu chúng ngược
chiều và cùng độ dài.
Ba véc tơ đồng phẳng hoặc không đồng phẳng
→ → →
Cho các véc tơ khác không : U , V , W. Nếu chúng cùng nằm trong một mặt
phẳng
→ → →
hoặc nằm trong các mặt phẳng song song, thì ta nói U , V, W đồng phẳng. Nếu ba véc
tơ không có các tính chất đó, thì ta nói ba véc tơ không đồng phẳng.
→ → →
Từ định nghĩa ta suy ra rằng, nếu U, V, W đồng phẳng, thì luôn tồn tại một mặt
→ → →
phẳngP mà trong đó ta dựng được các véc tơ U’, V’, W’ bằng các véc tơ đã cho. Nếu
→ → →
các véc tơ đó không đồng phẳng và nếu P chứa các véc tơ U’, V’ thì P không chứa W’
→

3

hoặc song song với W’.
3.Các phép toán véc tơ.
Phép cộng véc tơ.
Ðịnh nghĩa.
→ → → → →
Cho hai véc tơ U, V.Tổng của U và V là véc tơ a được xác định theo quy tắc
sau(quy tắc tam giác).Từ một điểm A bất kỳ trong không gian ta đặt liên tiếp các véc tơ
→ → → → → → → →
AB = U và BC =V. Véc tơ AC là tổng của hai véc tơ đã cho và ta ký hiệu a = U + V.
Tính chất

→ → → → → → → → → → → → → → → →
i) U + 0 = U ; ii) U + (-U) = 0; iii) U + V = V + U ; iv) ( U + V)+W = U+( V + W).
Trường hợp tổng của nhiều véc tơ
→ → → →
Cho n véc tơ U
1
,U
2
,..,U
n
.Tổng của n véc tơ đó là một véc tơ U’ được xác định theo
quy tắc sau ( quy tắc đường gấp khúc):
→ → → →
Từ một điểm A
0
bất kỳ ta dựng liên tiếp các véc tơ A
0

A
1
, A
1
A
2
, A
2
A
3
,…, A
n-
1
A
n
.Véc
→ → → → → →
tơ A
0
A
n
là tổng của n véc tơ đã cho và được ký hiệu U’ = U
1
+U
2
+ U
3
+…+ U
n
.

Phép trừ hai véc tơ.
Ðịnh nghĩa.
→ → → → → → → → →
Hiệu của U và V là một véc tơ W và được ký hiệu U – V = W, nêu W+ V = U.
→ → →
Theo định nghĩa ta xác địnhWnhư sau: từ một điểm A bất kỳta dựng các véc tơAB =U,
→ → → →
AC = V. Khi đó W = CB.
Nhân một véc tơ với một số thực
Ðịnh nghĩa
→ → → →
Cho U ≠ 0 và số thực k ≠ 0.Tích của U với k là một véc tơ V có độ dài bằng
→ → →
|k|.| U | và cùng chiều với U,khi k >0;ngược chiều với U,khi k <0.Ta ký hiệu phép toán
→ →
đó V=k.U.
→ → → → → →
Nếu U = 0, thì k.U = 0 ; Nếu k = 0, thì 0.U = 0.
Tính chất.
→ → → → → → → → → → →

4

i). 1.U = U ; ii). m.(n.U) = (m.n).U ; iii). m(U + V) = m U+ m.V ; (m+n) U = mU+ nU
(m , n là các số thực).
Hệ quả
→ → → → →
i) U+ U+ U +…+ U = n. U
→ → → →
ii) Nếu U // V , thì tồn tại một số thực k sao cho V = k.U và k là duy nhất thoã

mãn điều kiện đó.
4.Ðiều kiện đồng phẳng của 3 véc tơ.
→ → → → →
Cho U , V , W khác không và U // V.Ðể ba véc tơ đó đồng phẳng cần và đủ là tồn


→ → →
tại hai số thực m , n sao cho W = m. U + n. V.Cặp số m , n là duy nhất thoã mãn điều
kiện đó.

Hệ quả.
→ → → → → → →
i) Nếu U, V , W không đồng phẳng và m.U + n.V + k.W = 0 , thi m = n = k = 0.
→
ii) Với mọi véc tơ a tồn tại duy nhất một bộ 3 số thực x,y,z sao cho
→ → → →
a = xU + yV + zW
→ → → → →
Các véc tơ U, V , W được gọi là cơ sở của a. Bộ sô (x,y,z) được gọi là toạ độ của a.
→ →
Véc tơ a có biễu diên như vậy được gọi là phân tích a theo một cơ sở.
5.Góc tạo bởi hai véc tơ trong không gian.
Ðịnh nghĩa.
→ → →
Cho hai véc tơ U , V khác 0. Gọi O là một điểm bất kỳ trong không gian và từ
đó
→ → → → ∧ → →
ta dựng OA = U, OB = V, khi đó góc AOB là góc tạo bởi U và V.Ta thấy rằng nếu O’
là
→ → → → → → →

một điểm khác O và từ O’ ta dựng O’A’ = U, O’B’ = V, thì ta có OA = O’A’ , OB =
→ → → ∧ ∧
O’B’ và AB = A’B’.Từ đó ta suy ra AOB =A’O’B’.Chứng tỏ góc tạo bởi hai véc tơ


5

không phụ thuộc cách chọn điểm O.Ta ký hiệu ( U , V ) là góc tạo bởi hai véc tơ U ,
V.
Góc tạo bởi một véc tơ không và một véc tơ khác không không xác định.
Tính chất.
→ → → → → → → →
i) Nếu U’ ↑↑ U và V’ ↑↑ V, thì ( U’ , V’ ) = ( U , V ).
→ → → → → →
ii) Nếu ( U , V ) = α , thì ( - U , V ) = ( U , - V ) = 180
0
- α.
→ → → → → → → →
iii) Nếu U ↑↑ V , thì ( U , V ) = 0. Nếu U ↑↓ V , thì ( U , V ) = 180
0
.
Ðộ dài hình chiếu của một véc tơ trên một trục toạ độ
→
Cho AB và trục toạ độ Ox.Gọi A’, B’ lần lượt là hình chiếu vuông góc của A, B
trên Ox. Ta gọi A’B’ là hình chiếu của AB trên Ox .Ta có hệ thức sau A’B’=
AB.cosα, trong đó α là góc tạo bởi AB và véc tơ đơn vị trên Ox, A’B’ là độ dài đại số
của A’B’ trên Ox.
6.Tích vô hướng của hai véc tơ trong không gian.

Ðịnh nghĩa.

→ → →
Cho hai véc tơ U và V khác 0.Tích vô hướng của hai véc tơ đó là một số thực
bằng tích độ dài hai véc tơ nhân với cosα ; α là góc tạo bởi hai véc tơ đó.
→
Nếu một trong hai véc tơ bằng 0, thì tích vô hướng của chúng bằng 0.Ta ký hiệu
Tính chất.
→ → → →
• U . V = V . U .
→ → → → → → →
• U.( V + W ) = U. V + U. W.
→ → → →
• (k.U). V = k.( U .V ), k là số thực.
→ → → →
• U . U = ( U )
2
= | U |
2
.
→ → → → → →
• | U . V | ≤ | U | . | V |. Dấu bằng trong bất đẳng thức xảy ra khi U // V.
Hệ quả: Các hằng đẳng thức về tích vô hướng trong mặt phẳng vẫn còn hiệu lực trong
không gian.
→ → → → → → → → → → → →
U. V = 0 ⇔ (U , V ) = 90
0
; U. V > 0⇔ (U , V ) < 90
0
; U . V < 0⇔ (U , V ) > 90
0
.

→ →
tích vô hướng của hai véc tơ là U . V.

6


Chương II. Các phép biến hình trong không gian
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
A. Ðại cương về biến hình trong không gian
1.Ðịnh nghiã. Trong không gian cho một quy tắc f.Với mỗi điểm M bất kỳ theo
quy tắc f ta xác định được duy nhất điểm M’.Khi đó ta nói M’ là ảnh của M qua phép
biến đổi f và được ký hiệu f : M → M’(đọc là f biến M thành M’).Ðiểm M được gọi là
tạo ảnh của M’, f là một phép biến đổi hình học .
Từ định nghĩa ta suy ra rằng nếu M
1
’, M
2
’ tương ứng là ảnh của của M
1
,M
2
trong
phép biến đổi f và M
1
’ khác M
2
’, thì M
1
và M
2

là hai điểm phân biệt.
Nếu f được xác định cho mọi điểm trong không gian, thì ta nói f là phép biến đổi
trong không gian.
2. Phép biến đổi 1-1.
Ta biết rằng mỗi ảnh của một điểm M qua phép biến đổi f có thể có nhiều tạo ảnh
khác M.Nếu mỗi ảnh của M chỉ có duy nhất một tạo ảnh ứng với nó, thì ta nói f là phép
biến đổi 1-1.
3.Phép biến đổi đồng nhất.
Ta nói f là phép biến đổi đồng nhất , nếu f biến mọi điểm M trong không gian thành
chính M.
4. Phép biến đổi ngược.
Gỉa sử f : M → M’ với mọi điểm M trong không gian. Nếu tồn tại một phép biến
đổi g biến M’ thành M, thì ta nói g là phép biến đổi ngược của f và f là phép biến đổi
có ngược.
5.Tích của hai ( hoặc nhiều ) phép biến đổi
Cho hai phép biến đổi f và g. Với mỗi điểm M bất kỳ f : M→ M’ và g :M’→ M’’.
Phép biến đổi biến M thành M’’ được gọi là tích của hai phép biến đổi f và g và ta ký
hiệu tích của hai phép biến đổi đó là g•f : M → M’’ hoặc g(f) : M→ M’’.
Tóm lại tích của hai phép biến đổi là một phép biến đổi nhận được từ việc thực hiện
liên tiếp theo một thứ tự xác định các phép biến đổi đã cho.
Cho n phép biến đổi (n > 2) f
1
,f
2
,..,f
n
.Tích của n phép biến đổi đã cho là một phép
biến đổi F bằng cách thực hiện liên tiếp theo một thứ tự nhất định n phép biến đổi đó
và ta viết F =f
n

•f
n-1
•..f
2
•f
1
.
6.Hai phép biến đổi trùng nhau.
Cho hai phép biến đổi f và g.Ta nói f và g trùng nhau (hoặc bằng nhau) và được ký
hiệu f = g, nếu ảnh của mọi điểm M trong không gian của hai phép biến đổi đó trùng
nhau . Nghĩa là với mọi điểm M , f : M → M’ và g : M → M’.
Cho một tập hợp điểm X.Ta nói f và g trùng nhau cục bộ trên X , nếu f và g trùng
nhau trên tập hợp X.
7.Ðiểm bất động, đường thẳng bất động, mặt phẳng bất động của một phép
biến đổi.
Ta nói điểm O là điểm bất động của một phép biến đổi f , nếu f biến O thành O.
Ta nói đường thẳng d là bất động của một phép biến đổi f, nếu mọi điểm thuộc d là
điểm bất động của f.

7

Ta nói mặt phẳng P là bất động của một phép biến đổi f, nếu mọi điểm thuộc P là
bất động của f.
Ta nói đường thẳng d( mặt phẳng P) là bất biến của một phép biến đổi f, nếu f biến
đường thẳng d (hoặc mặt phẳng P) thành chính nó.
Rõ ràng nếu đường thẳng d (hoặc mặt phẳng P) là bất động của phép biến đổi f, thì
d (hoặc mặt phẳng P) là bất biến đối với f.
8.Ảnh của một hình qua một phép biến đổi .
Cũng như hình học phẳng, trong hình học không gian ta xem mỗi hình không gian
là một tập hợp điểm .Cho một hình không gian F.Tập hợp ảnh của mọi điểm thuộc F

qua một phép biến đổi f lập thành một hình F’ được gọi là ảnh của F qua phép biến đổi
đó.
Ta ký hiệu f : F → F’ hoặc F’ = M’/ f : M→ M’ với mọi M∈F
9.Hai hình trùng nhau.
Ta nói hai hình không gian F
1
và F
2
trùng nhau, nếu mọi điểm của hình này thuộc
hình kia và ngược lại .Hai hình trùng nhau được ký hiệu là F
1
≡ F
2
.
Nếu mọi điểm của F
1
thuộc F
2
, thì ta nói F
1
là hình con của F
2
.




B. Một số phép biến đổi hình học cơ bản trong không gian
---------------------------------------------------------------------------------------------------------
1. Phép đối xứng qua tâm

Ðịnh nghĩa. Cho trước một điểm O.Với mỗi điểm M khác O ta xác định điểm M’
→ →
sao cho OM’ =- OM. Nếu M trùng với với O, thì M’ trùng với O.Khi đó ta nói M’ là
ảnh của M trong phép đối xứng qua tâm O ( hoặc đối xứng tâm O) và được ký hiệu Z
O

: M → M’ .Ðiểm O được gọi là tâm đối xứng.
Cho một hình F.Tập hợp ảnh của mọi điểm thuộc F trong phép biến đổi Z
O
lập thành
một hình F’ được gọi là ảnh của F hoặc hình đối xứng với F qua O.Nếu F và F’ trùng
nhau, thì ta nói F là hình có tâm đối xứng.Ta ký hiệu Z
O
: F → F’.
Tính chất.
1. Z
O
có một điểm bất động duy nhất là điểm O.
2. Z
O
là phép biến đổi 1-1 và có ngược.Phép biến đổi ngược chính là Z
O
.
→ →
3. Nếu A’,B’ là ảnh của A,B trong phép biến đổi Z
O
, thì A’B’ = - AB.
4. Nếu A,B,C,D là 4 điểm cùng nằm trong một mặt phẳng và A’,B’,C’,D’ là các ảnh
tương ứng của các điểm đó trong phép biến đổi Z
O

, thì 4 điểm A’,B’,C’,D’ cũng nằm
trong một mặt phẳng.
Chứng minh
Gọi P là mặt phẳng chứa 4 điểm A,B,C,D.Ta xét trường hợp tồn tại 3 trong 4 điểm
không thẳng hàng chẳng hạn A,B,C .Khi đó A’,B’,C’ không thẳng hàng và tồn tại các
→ → → → → → → → →