Gọi I là trung điểm của đoạn AA’. Ta có IO // Δ nên tâm O di động trên đường thẳng d cố định đi qua I và song song với ∆ . Mặt cầu tâm O đi qua hai điểm cố định A, A’ , có tâm di động trên đường trung trực d cố định của đoạn AA’. Vậy mặt cầu tâm O luôn luôn chứa đường tròn cố định tâm I có đường kính AA’ nằm trong mặt phẳng AA’ và vuông góc với d.

Hình tứ giác A’M’M M 1  là hình chữ nhật nên tâm O cũng là trung điểm của A’M. Do đó khi x thay đổi thì mặt phẳng (Q) thay đổi và điểm O luôn luôn thuộc đường thẳng d’ đi qua trung điểm I của đoạn AA’ và song song với đường thẳng  ∆ . Vì mặt cầu tâm O luôn luôn đi qua hai điểm cố định A, A’nên nó có tâm O di động trên đường thẳng d’. Do đó mặt cầu tâm O luôn luôn chứa đường tròn tâm I cố định có đường kính AA’ cố định và nằm trong mặt phẳng cố định vuông góc với đường thẳng d’.

Chọn B

Theo giả thiết ta có: ∠A′M′M = ∠A′AM = ∠A′M1M = 90o

Do đó 5 điểm A, A’, M, M’, M1 cùng thuộc mặt cầu (S) tâm O, với O là trung điểm của A’M và có bán kính r = A′M2

Mặt khác ta có A’M2 = A’A2 + AM2

Trong đó

Do đó

Mặt cầu tâm O có bán kính

Diện tích của mặt cầu tâm O là:

Milk lộn toán hình nhé!

Ta chọn hệ toạ độ Oxyz có gốc là đỉnh A, tia Ox chứa AB, tia Oy chứa AD và tia Oz chứa AA’ (h.105).

Khi đó :

         $\begin{array}{c}A=\left(0;0;0\right)\\ B=\left(a;0;0\right)\\ D=\left(0;a;0\right)\\ C=\left(a;a;0\right)\end{array}$  $\begin{array}{c}{A}^{\prime }=\left(0;0;a\right)\\ B^{\prime }=\left(a;0;a\right)\\ D^{\prime }=\left(0;a;a\right)\\ C^{\prime }=\left(a;a;a\right)\end{array}$

          $P=\left(a;\frac{a}{2};a\right)$

a) Ta có $\overrightarrow{AP}=\left(a;\frac{a}{2};a\right)$

                       $\overrightarrow{B{C}^{\prime }}=\left(0;a;a\right).$

Gọi $\alpha$ là góc giữa hai đường thẳng $AP$ và $B{C}^{\prime }$ ta có :

         $\cos \alpha =\frac{\left|0+\frac{a^2}{2}+a^2\right|}{\sqrt{a^2+\frac{a^2}{2}+a^2}.\sqrt{a^2+a^2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\Rightarrow \alpha ={45}^o$

b) Ta có : $\overrightarrow{AP}=\left(a;\frac{a}{2};a\right)$, $\overrightarrow{AB}=\left(a;0;0\right),\overrightarrow{A{C}^{\prime }}=(a;a;a)$

$\begin{array}{c}\Rightarrow \left[\overrightarrow{AP},\overrightarrow{AB}\right]=\left(\left|\begin{array}{cc}\frac{a}{2}& a\\ 0& 0\end{array}\right|;\left|\begin{array}{cc}a& a\\ 0& a\end{array}\right|;\left|\begin{array}{cc}a& \frac{a}{2}\\ a& 0\end{array}\right|\right)\\ =\left(0;a^2;–\frac{a^2}{2}\right)\\ \Rightarrow \left[\overrightarrow{AP},\overrightarrow{AB}\right].\overrightarrow{A{C}^{\prime }}=0+a^3–\frac{a^3}{2}=\frac{a^3}{2}.\end{array}$

Vậy $V_{APB{C}^{\prime }}=\frac{1}{6}\left|\left[\overrightarrow{AP},\overrightarrow{AB}\right].\overrightarrow{A{C}^{\prime }}\right|=\frac{1}{6}.\frac{a^3}{2}=\frac{a^3}{12}.$ 

c) Mặt phẳng $\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right)$ song song với trục Oy nên có phương trình :

       $px+qz+n=0$ $\left(n\ne 0,p^2+q^2>0\right).$

Vì mặt phẳng này đi qua $A^{\prime },B,C$ nên ta xác định được p = q và n = -pa.

Cho p = 1, ta được phương trình mp$\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right)$ là $x+z–a=0$. Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng này là $\overrightarrow{n}=\left(1;0;1\right).$

Từ giả thiết $M\in A{D}^{\prime },N\in DB;AM=DN=k$, ta tính được :

                      $M=\left(0;\frac{k}{\sqrt{2}};\frac{k}{\sqrt{2}}\right),N=\left(\frac{k}{\sqrt{2}};\frac{a\sqrt{2}-k}{\sqrt{2}};0\right).$

Suy ra $\overrightarrow{MN}=\left(\frac{k}{\sqrt{2}};\frac{a\sqrt{2}-2k}{\sqrt{2}};–\frac{k}{\sqrt{2}}\right).$

Ta có $\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{n}=1.\frac{k}{\sqrt{2}}+0\left(\frac{a\sqrt{2}-2k}{\sqrt{2}}\right)+1.\left(–\frac{k}{\sqrt{2}}\right)=0$

$\Rightarrow \overrightarrow{MN}\perp \overrightarrow{n}.$

Rõ ràng $N\notin mp\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right).$ Suy ra MN song song với mp$\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right).$

d) Ta có $M{N}^2={\left(\frac{k}{\sqrt{2}}\right)}^2+{\left(\frac{a\sqrt{2}-2k}{\sqrt{2}}\right)}^2+{\left(–\frac{k}{\sqrt{2}}\right)}^2.$

$\begin{array}{c}=3k^2–2a\sqrt{2}k+a^2\\ =3\left[{\left(k–\frac{a\sqrt{2}}{3}\right)}^2+\frac{a^2}{9}\right]\ge 3\frac{a^2}{9}=\frac{a^2}{3}.\end{array}$

$M{N}^2$ nhỏ nhất bằng $\frac{a^2}{3}$ khi $k=\frac{a\sqrt{2}}{3}$ (thoả mãn điều kiện $0<k<a\sqrt{2}$ ).

Vậy MN ngắn nhất bằng $\frac{a\sqrt{3}}{3}$ khi $k=\frac{a\sqrt{2}}{3}$.

e) Khi MN ngắn nhất thì $k=\frac{a\sqrt{2}}{3}$ Khi đó $\overrightarrow{MN}=\left(\frac{a}{3};\frac{a}{3};\frac{–a}{3}\right).$

Ta lại có $\overrightarrow{A{D}^{\prime }}=\left(0;a;a\right),\overrightarrow{DB}=(a;–a;0)$ nên $\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{A{D}^{\prime }}=0,\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{DB}=0.$

Vậy MN là đường vuông góc chung của AD’ và DB.

Ta chọn hệ toạ độ Oxyz có gốc là đỉnh A, tia Ox chứa AB, tia Oy chứa AD và tia Oz chứa AA’ (h.105).

Khi đó :

         A=(0;0;0)B=(a;0;0)D=(0;a;0)C=(a;a;0)A=(0;0;0)B=(a;0;0)D=(0;a;0)C=(a;a;0)  A′=(0;0;a)B′=(a;0;a)D′=(0;a;a)C′=(a;a;a)A′=(0;0;a)B′=(a;0;a)D′=(0;a;a)C′=(a;a;a)

          P=(a;a2;a)P=(a;a2;a)

a) Ta có −−→AP=(a;a2;a)AP→=(a;a2;a)

                       −−→BC′=(0;a;a).BC′→=(0;a;a).

Gọi αα là góc giữa hai đường thẳng APAP và BC′BC′ ta có :

         cosα=∣∣0+a22+a2∣∣√a2+a22+a2.√a2+a2=1√2⇒α=45ocos⁡α=|0+a22+a2|a2+a22+a2.a2+a2=12⇒α=45o

b) Ta có : −−→AP=(a;a2;a)AP→=(a;a2;a), −−→AB=(a;0;0),−−→AC′=(a;a;a)AB→=(a;0;0),AC′→=(a;a;a)

⇒[−−→AP,−−→AB]=(∣∣∣a2a00∣∣∣;∣∣∣aa0a∣∣∣;∣∣∣aa2a0∣∣∣)=(0;a2;–a22)⇒[−−→AP,−−→AB].−−→AC′=0+a3–a32=a32.⇒[AP→,AB→]=(|a2a00|;|aa0a|;|aa2a0|)=(0;a2;–a22)⇒[AP→,AB→].AC′→=0+a3–a32=a32.

Vậy VAPBC′=16∣∣∣[−−→AP,−−→AB].−−→AC′∣∣∣=16.a32=a312.VAPBC′=16|[AP→,AB→].AC′→|=16.a32=a312. 

QUẢNG CÁO

c) Mặt phẳng (A′D′CB)(A′D′CB) song song với trục Oy nên có phương trình :

       px+qz+n=0px+qz+n=0 (n≠0,p2+q2>0).(n≠0,p2+q2>0).

Vì mặt phẳng này đi qua A′,B,CA′,B,C nên ta xác định được p = q và n = -pa.

Cho p = 1, ta được phương trình mp(A′D′CB)(A′D′CB) là x+z–a=0x+z–a=0. Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng này là →n=(1;0;1).n→=(1;0;1).

Từ giả thiết M∈AD′,N∈DB;AM=DN=kM∈AD′,N∈DB;AM=DN=k, ta tính được :

                      M=(0;k√2;k√2),N=(k√2;a√2−k√2;0).M=(0;k2;k2),N=(k2;a2−k2;0).

Suy ra −−−→MN=(k√2;a√2−2k√2;–k√2).MN→=(k2;a2−2k2;–k2).

Ta có −−−→MN.→n=1.k√2+0(a√2−2k√2)+1.(–k√2)=0MN→.n→=1.k2+0(a2−2k2)+1.(–k2)=0

⇒−−−→MN⊥→n.⇒MN→⊥n→.

Rõ ràng N∉mp(A′D′CB).N∉mp(A′D′CB). Suy ra MN song song với mp(A′D′CB).(A′D′CB).

d) Ta có MN2=(k√2)2+(a√2−2k√2)2+(–k√2)2.MN2=(k2)2+(a2−2k2)2+(–k2)2.

=3k2–2a√2k+a2=3⎡⎣(k–a√23)2+a29⎤⎦≥3a29=a23.=3k2–2a2k+a2=3[(k–a23)2+a29]≥3a29=a23.

MN2MN2 nhỏ nhất bằng a23a23 khi k=a√23k=a23 (thoả mãn điều kiện 0<k<a√20<k<a2 ).

Vậy MN ngắn nhất bằng a√33a33 khi k=a√23k=a23.

e) Khi MN ngắn nhất thì k=a√23k=a23 Khi đó −−−→MN=(a3;a3;–a3).MN→=(a3;a3;–a3).

Ta lại có −−→AD′=(0;a;a),−−→DB=(a;–a;0)AD′→=(0;a;a),DB→=(a;–a;0) nên −−−→MN.−−→AD′=0,−−−→MN.−−→DB=0.MN→.AD′→=0,MN→.DB→=0.

Vậy MN là đường vuông góc chung của AD’ và DB.

Mặt khác −−→A′C=(a;a;–a)=3−−−→MNA′C→=(a;a;–a)=3MN→, chứng tỏ −−−→MNMN→, −−→A′CA′C→ cùng phương. Do N∉A′CN∉A′C  nên MN//A′C.Ta chọn hệ toạ độ Oxyz có gốc là đỉnh A, tia Ox chứa AB, tia Oy chứa AD và tia Oz chứa AA’ (h.105).

Khi đó :

         A=(0;0;0)B=(a;0;0)D=(0;a;0)C=(a;a;0)A=(0;0;0)B=(a;0;0)D=(0;a;0)C=(a;a;0)  A′=(0;0;a)B′=(a;0;a)D′=(0;a;a)C′=(a;a;a)A′=(0;0;a)B′=(a;0;a)D′=(0;a;a)C′=(a;a;a)

          P=(a;a2;a)P=(a;a2;a)

a) Ta có −−→AP=(a;a2;a)AP→=(a;a2;a)

                       −−→BC′=(0;a;a).BC′→=(0;a;a).

Gọi αα là góc giữa hai đường thẳng APAP và BC′BC′ ta có :

         cosα=∣∣0+a22+a2∣∣√a2+a22+a2.√a2+a2=1√2⇒α=45ocos⁡α=|0+a22+a2|a2+a22+a2.a2+a2=12⇒α=45o

b) Ta có : −−→AP=(a;a2;a)AP→=(a;a2;a), −−→AB=(a;0;0),−−→AC′=(a;a;a)AB→=(a;0;0),AC′→=(a;a;a)

⇒[−−→AP,−−→AB]=(∣∣∣a2a00∣∣∣;∣∣∣aa0a∣∣∣;∣∣∣aa2a0∣∣∣)=(0;a2;–a22)⇒[−−→AP,−−→AB].−−→AC′=0+a3–a32=a32.⇒[AP→,AB→]=(|a2a00|;|aa0a|;|aa2a0|)=(0;a2;–a22)⇒[AP→,AB→].AC′→=0+a3–a32=a32.

Vậy VAPBC′=16∣∣∣[−−→AP,−−→AB].−−→AC′∣∣∣=16.a32=a312.VAPBC′=16|[AP→,AB→].AC′→|=16.a32=a312. 

QUẢNG CÁO

c) Mặt phẳng (A′D′CB)(A′D′CB) song song với trục Oy nên có phương trình :

       px+qz+n=0px+qz+n=0 (n≠0,p2+q2>0).(n≠0,p2+q2>0).

Vì mặt phẳng này đi qua A′,B,CA′,B,C nên ta xác định được p = q và n = -pa.

Cho p = 1, ta được phương trình mp(A′D′CB)(A′D′CB) là x+z–a=0x+z–a=0. Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng này là →n=(1;0;1).n→=(1;0;1).

Từ giả thiết M∈AD′,N∈DB;AM=DN=kM∈AD′,N∈DB;AM=DN=k, ta tính được :

                      M=(0;k√2;k√2),N=(k√2;a√2−k√2;0).M=(0;k2;k2),N=(k2;a2−k2;0).

Suy ra −−−→MN=(k√2;a√2−2k√2;–k√2).MN→=(k2;a2−2k2;–k2).

Ta có −−−→MN.→n=1.k√2+0(a√2−2k√2)+1.(–k√2)=0MN→.n→=1.k2+0(a2−2k2)+1.(–k2)=0

⇒−−−→MN⊥→n.⇒MN→⊥n→.

Rõ ràng N∉mp(A′D′CB).N∉mp(A′D′CB). Suy ra MN song song với mp(A′D′CB).(A′D′CB).

d) Ta có MN2=(k√2)2+(a√2−2k√2)2+(–k√2)2.MN2=(k2)2+(a2−2k2)2+(–k2)2.

=3k2–2a√2k+a2=3⎡⎣(k–a√23)2+a29⎤⎦≥3a29=a23.=3k2–2a2k+a2=3[(k–a23)2+a29]≥3a29=a23.

MN2MN2 nhỏ nhất bằng a23a23 khi k=a√23k=a23 (thoả mãn điều kiện 0<k<a√20<k<a2 ).

Vậy MN ngắn nhất bằng a√33a33 khi k=a√23k=a23.

e) Khi MN ngắn nhất thì k=a√23k=a23 Khi đó −−−→MN=(a3;a3;–a3).MN→=(a3;a3;–a3).

Ta lại có −−→AD′=(0;a;a),−−→DB=(a;–a;0)AD′→=(0;a;a),DB→=(a;–a;0) nên −−−→MN.−−→AD′=0,−−−→MN.−−→DB=0.MN→.AD′→=0,MN→.DB→=0.

Vậy MN là đường vuông góc chung của AD’ và DB.

Mặt khác −−→A′C=(a;a;–a)=3−−−→MNA′C→=(a;a;–a)=3MN→, chứng tỏ −−−→MNMN→, −−→A′CA′C→ cùng phương. Do N∉A′CN∉A′C  nên MN//A′C.

Mặt khác $\overrightarrow{A^{\prime }C}=\left(a;a;–a\right)=3\overrightarrow{MN}$, chứng tỏ $\overrightarrow{MN}$, $\overrightarrow{A^{\prime }C}$ cùng phương. Do $N\notin A^{\prime }C$  nên $MN//A^{\prime }C.Ta\; chọn\; hệ\; toạ\; độ\; Oxyz\; có\; gốc\; là\; đỉnh\; A,\; tia\; Ox\; chứa\; AB,\; tia\; Oy\; chứa\; AD\; và\; tia\; Oz\; chứa\; AA’\; (h.105).$

Khi đó :

         $\begin{array}{c}A=\left(0;0;0\right)\\ B=\left(a;0;0\right)\\ D=\left(0;a;0\right)\\ C=\left(a;a;0\right)\end{array}$  $\begin{array}{c}{A}^{\prime }=\left(0;0;a\right)\\ B^{\prime }=\left(a;0;a\right)\\ D^{\prime }=\left(0;a;a\right)\\ C^{\prime }=\left(a;a;a\right)\end{array}$

          $P=\left(a;\frac{a}{2};a\right)$

a) Ta có $\overrightarrow{AP}=\left(a;\frac{a}{2};a\right)$

                       $\overrightarrow{B{C}^{\prime }}=\left(0;a;a\right).$

Gọi $\alpha$ là góc giữa hai đường thẳng $AP$ và $B{C}^{\prime }$ ta có :

         $\cos \alpha =\frac{\left|0+\frac{a^2}{2}+a^2\right|}{\sqrt{a^2+\frac{a^2}{2}+a^2}.\sqrt{a^2+a^2}}=\frac{1}{\sqrt{2}}\Rightarrow \alpha ={45}^o$

b) Ta có : $\overrightarrow{AP}=\left(a;\frac{a}{2};a\right)$, $\overrightarrow{AB}=\left(a;0;0\right),\overrightarrow{A{C}^{\prime }}=(a;a;a)$

$\begin{array}{c}\Rightarrow \left[\overrightarrow{AP},\overrightarrow{AB}\right]=\left(\left|\begin{array}{cc}\frac{a}{2}& a\\ 0& 0\end{array}\right|;\left|\begin{array}{cc}a& a\\ 0& a\end{array}\right|;\left|\begin{array}{cc}a& \frac{a}{2}\\ a& 0\end{array}\right|\right)\\ =\left(0;a^2;–\frac{a^2}{2}\right)\\ \Rightarrow \left[\overrightarrow{AP},\overrightarrow{AB}\right].\overrightarrow{A{C}^{\prime }}=0+a^3–\frac{a^3}{2}=\frac{a^3}{2}.\end{array}$

Vậy $V_{APB{C}^{\prime }}=\frac{1}{6}\left|\left[\overrightarrow{AP},\overrightarrow{AB}\right].\overrightarrow{A{C}^{\prime }}\right|=\frac{1}{6}.\frac{a^3}{2}=\frac{a^3}{12}.$ 

c) Mặt phẳng $\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right)$ song song với trục Oy nên có phương trình :

       $px+qz+n=0$ $\left(n\ne 0,p^2+q^2>0\right).$

Vì mặt phẳng này đi qua $A^{\prime },B,C$ nên ta xác định được p = q và n = -pa.

Cho p = 1, ta được phương trình mp$\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right)$ là $x+z–a=0$. Vectơ pháp tuyến của mặt phẳng này là $\overrightarrow{n}=\left(1;0;1\right).$

Từ giả thiết $M\in A{D}^{\prime },N\in DB;AM=DN=k$, ta tính được :

                      $M=\left(0;\frac{k}{\sqrt{2}};\frac{k}{\sqrt{2}}\right),N=\left(\frac{k}{\sqrt{2}};\frac{a\sqrt{2}-k}{\sqrt{2}};0\right).$

Suy ra $\overrightarrow{MN}=\left(\frac{k}{\sqrt{2}};\frac{a\sqrt{2}-2k}{\sqrt{2}};–\frac{k}{\sqrt{2}}\right).$

Ta có $\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{n}=1.\frac{k}{\sqrt{2}}+0\left(\frac{a\sqrt{2}-2k}{\sqrt{2}}\right)+1.\left(–\frac{k}{\sqrt{2}}\right)=0$

$\Rightarrow \overrightarrow{MN}\perp \overrightarrow{n}.$

Rõ ràng $N\notin mp\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right).$ Suy ra MN song song với mp$\left(A^{\prime }{D}^{\prime }CB\right).$

d) Ta có $M{N}^2={\left(\frac{k}{\sqrt{2}}\right)}^2+{\left(\frac{a\sqrt{2}-2k}{\sqrt{2}}\right)}^2+{\left(–\frac{k}{\sqrt{2}}\right)}^2.$

$\begin{array}{c}=3k^2–2a\sqrt{2}k+a^2\\ =3\left[{\left(k–\frac{a\sqrt{2}}{3}\right)}^2+\frac{a^2}{9}\right]\ge 3\frac{a^2}{9}=\frac{a^2}{3}.\end{array}$

$M{N}^2$ nhỏ nhất bằng $\frac{a^2}{3}$ khi $k=\frac{a\sqrt{2}}{3}$ (thoả mãn điều kiện $0<k<a\sqrt{2}$ ).

Vậy MN ngắn nhất bằng $\frac{a\sqrt{3}}{3}$ khi $k=\frac{a\sqrt{2}}{3}$.

e) Khi MN ngắn nhất thì $k=\frac{a\sqrt{2}}{3}$ Khi đó $\overrightarrow{MN}=\left(\frac{a}{3};\frac{a}{3};\frac{–a}{3}\right).$

Ta lại có $\overrightarrow{A{D}^{\prime }}=\left(0;a;a\right),\overrightarrow{DB}=(a;–a;0)$ nên $\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{A{D}^{\prime }}=0,\overrightarrow{MN}.\overrightarrow{DB}=0.$

Vậy MN là đường vuông góc chung của AD’ và DB.

Mặt khác $\overrightarrow{A^{\prime }C}=\left(a;a;–a\right)=3\overrightarrow{MN}$, chứng tỏ $\overrightarrow{MN}$, $\overrightarrow{A^{\prime }C}$ cùng phương. Do $N\notin A^{\prime }C$  nên $MN//A^{\prime }C.$

Đáp án D.

Do AB//Ox => A, B nằm trên đường thẳng y = m  ( m ≠ 0 )

Do S_ABCD = 36

.