Cách tìm tâm và bán kính mặt cầu

Phương pháp giải & Ví dụ

+ Phương trình (S): (x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R² là phương trình mặt cầu (S) có tâm I (a; b; c), bán kính R

+ Phương trình (S): x²+y²+z²-2ax-2by-2cz+d=0 thỏa mãn điều kiện a²+b²+c²-d>0 là phương trình mặt cầu tâm I (a; b; c); bán kính

Ví dụ minh họa

Bài 1: Trong không gian hệ trục tọa độ Oxyz, phương trình nào sau đây là phương trình mặt cầu, nếu là phương trình mặt cầu, hãy tìm tâm và bán kính của mặt cầu đó

a) (x-2)²+(y+3)²+z²=5

b) x²+y²+z²-2x+4y-6z+1=0

c) 3x²+3y²+3z²-6x+3y+21=0

Hướng dẫn:

a) Phương trình (x-2)²+(y+3)²+z²=5 có dạng

(x-a)²+(y-b)²+(z-c)²=R² nên là phương trình mặt cầu có tâm

I (2; -3; 0) và bán kính R=√5.

b) Phương trình x²+y²+z²-2x+4y-6z+1=0 có dạng

x²+y²+z²-2ax-2by-2cz+d=0 với a = 1; b = -2; c = 3, d = 1

⇒ a²+b²+c²-d=13>0

Vậy phương trình đã cho là phương trình mặt cầu có tâm I (1; -2; 3) và bán kính R=√13.

c) Phương trình 3x²+3y²+3z²-6x+3y+21=0

⇔ x²+y²+z²-2x+y+7=0

Phương trình có dạng x²+y²+z²-2ax-2by-2cz+d=0 với

a=1;b=(-1)/2;c=0;d=7 ⇒a²+b²+c²-d=(-23)/4<0

Vậy phương trình đã cho không phải là phương trình mặt cầu.

Bài 2: Trong không gian với hệ tọa độ Oxyz, tìm m để mỗi phương trình sau là phương trình mặt cầu.

a) x²+y²+z²-2mx+2(m+1)y-4z+1=0

b) x²+y²+z²-2(m-3)x-4mz+8=0

Hướng dẫn:

a) Phương trình x²+y²+z²-2mx+2(m+1)y-4z+1=0 có

a=m;b=-(m+1); c=2;d=1.

Phương trình là phương trình mặt cầu ⇔ a²+b²+c²-d>0

⇔ m²+(m+1)²+2²-1>0⇔2m²+2m+3>0 ⇔m∈R.

b) Phương trình x²+y²+z²-2(m-3)x-4mz+8=0 có a=m-3;

b=0;c=2m;d=8

Phương trình là phương trình mặt cầu ⇔a²+b²+c²-d>0

⇔(m-3)²+4m²-8>0 ⇔5m²-6m+1>0

Bài 3: Trong không gian hệ trục tọa độ Oxyz, tìm tất cả các giá trị thực của tham số m để phương trình x²+y²+z²+2(m+2)x-2(m-3)z+m²-1=0 là phương trình của mặt cầu có bán kính nhỏ nhất.

Hướng dẫn:

Phương trình x²+y²+z²+2(m+2)x-2(m-3)z+m²-1=0 có:

a=-(m+2);b=0;c=m-3;d=m²-1

Phương trình là phương trình mặt cầu ⇔ a²+b²+c²-d>0

⇔ (m+2)²+(m-3)²-m²+1>0 ⇔ m²-2m+14>0 ⇔ m∈R.

Khi đó, bán kính mặt cầu là:

Dấu bằng xảy ra khi m = 1.

Vậy với m = 1 thì mặt cầu có bán kính nhỏ nhất R=√13.