Ưu đãi 50% Ưu đãi 50% trọn bộ khóa học Toán THPT!
Chương VII: Quan hệ vuông góc trong không gian

Bài 22: Hai đường thẳng vuông góc

Lý thuyết & Phương pháp giải Chuyên sâu: Hai đường thẳng vuông góc trong không gian

Nắm vững góc giữa hai vectơ, định nghĩa góc giữa hai đường thẳng trong không gian (0° đến 90°), định nghĩa và tính chất hai đường thẳng vuông góc (cắt nhau hoặc chéo nhau), phương pháp tịnh tiến song song và tích vô hướng chuẩn SGK Toán 11.

1. Góc Giữa Hai Vectơ Trong Không Gian (Chuẩn SGK)

ĐỊNH NGHĨA GÓC GIỮA HAI VECTƠ

Cho hai vectơ $\vec{u}$ và $\vec{v}$ khác $\vec{0}$. Lấy một điểm $O$ tùy ý, vẽ $\overrightarrow{OA} = \vec{u}$ và $\overrightarrow{OB} = \vec{v}$. Khi đó, góc $\widehat{AOB}$ với số đo từ $0^\circ$ đến $180^\circ$ được gọi là góc giữa hai vectơ $\vec{u}$ và $\vec{v}$, ký hiệu $(\vec{u}, \vec{v})$.
$$0^\circ \le (\vec{u}, \vec{v}) \le 180^\circ$$

Công thức tính góc qua tích vô hướng:

$$\vec{u} \cdot \vec{v} = |\vec{u}| \cdot |\vec{v}| \cdot \cos(\vec{u}, \vec{v}) \implies \cos(\vec{u}, \vec{v}) = \frac{\vec{u} \cdot \vec{v}}{|\vec{u}| \cdot |\vec{v}|}$$ Hai vectơ gọi là vuông góc với nhau ($\vec{u} \perp \vec{v}$) khi và chỉ khi tích vô hướng của chúng bằng $0$: $$\vec{u} \perp \vec{v} \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0$$

2. Góc Giữa Hai Đường Thẳng Trong Không Gian

Khác với hai vectơ (có thể tạo thành góc tù đến $180^\circ$), góc giữa hai đường thẳng trong không gian được định nghĩa như sau:

ĐỊNH NGHĨA GÓC GIỮA HAI ĐƯỜNG THẲNG

Góc giữa hai đường thẳng $a$ và $b$ trong không gian là góc giữa hai đường thẳng $a^\prime$ và $b^\prime$ cùng đi qua một điểm $O$ bất kỳ và lần lượt song song (hoặc trùng) với $a$ và $b$. Ký hiệu là $(a, b)$.
$$0^\circ \le (a, b) \le 90^\circ$$
Minh Họa: Góc Giữa Hai Đường Thẳng Chéo Nhau và Hai Đường Thẳng Vuông Góc Chéo Nhau
1. Tịnh Tiến Về Cùng 1 Điểm O a b O a′ // a b′ // b φ ≤ 90° (a, b) = (a′, b′) = φ 2. Hai Đường Thẳng Vuông Góc Chéo Nhau đường thẳng AB B′C′ BC // B′C′ AB ⊥ B′C′ (Dù chéo nhau không cắt nhau!)
Ghi chú: Trong không gian, hai đường thẳng vuông góc có thể cắt nhau hoặc chéo nhau. Kỹ thuật then chốt là tịnh tiến song song về cùng 1 đỉnh.
QUY TẮC TÍNH GÓC QUA VECTƠ CHỈ PHƯƠNG:
Nếu $\vec{u}$ và $\vec{v}$ lần lượt là vectơ chỉ phương của hai đường thẳng $a$ và $b$, thì: $$\cos(a, b) = |\cos(\vec{u}, \vec{v})| = \frac{|\vec{u} \cdot \vec{v}|}{|\vec{u}| \cdot |\vec{v}|}$$ (Lưu ý: Luôn có dấu giá trị tuyệt đối ở tử số để đảm bảo côsin của góc giữa hai đường thẳng luôn $\ge 0$, tức là góc luôn là góc nhọn hoặc góc vuông!).
• Khi $a \parallel b$ hoặc $a \equiv b$: $(a, b) = 0^\circ$.

3. Định Nghĩa & Tính Chất Hai Đường Thẳng Vuông Góc

ĐỊNH NGHĨA HAI ĐƯỜNG THẲNG VUÔNG GÓC

Hai đường thẳng $a$ và $b$ được gọi là vuông góc với nhau, ký hiệu $a \perp b$, nếu góc giữa chúng bằng $90^\circ$:
$$a \perp b \iff (a, b) = 90^\circ \iff \vec{u} \cdot \vec{v} = 0$$

Các tính chất hình học quan trọng chuẩn SGK:

  • Khác biệt căn bản với hình học phẳng: Trong không gian, hai đường thẳng vuông góc không nhất thiết phải cắt nhau. Chúng có thể cắt nhau hoặc chéo nhau!
  • Nếu hai đường thẳng song song với nhau ($b \parallel c$) và một đường thẳng $a$ vuông góc với $b$, thì $a$ cũng vuông góc với $c$: $$\begin{cases} b \parallel c \ a \perp b \end{cases} \implies a \perp c$$
  • Qua một điểm $O$ cho trước, có vô số đường thẳng vuông góc với đường thẳng $a$ cho trước. Tất cả các đường thẳng này đều nằm trong mặt phẳng đi qua $O$ và vuông góc với $a$.

4. Phân Dạng Toán Trọng Tâm & Phương Pháp Giải Chi Tiết

Dạng 1: Tính góc giữa hai đường thẳng bằng phương pháp tịnh tiến song song

Phương pháp: Để tính góc giữa hai đường thẳng chéo nhau $a$ và $b$:
• Chọn một điểm $O$ thích hợp (thường là một đỉnh của hình đa diện nằm trên đường thẳng này).
• Kẻ qua $O$ đường thẳng song song với đường thẳng kia.
• Đưa về tam giác phẳng chứa điểm $O$, tính góc trong tam giác bằng định lý Côsin: $\cos\widehat{AOB} = \frac{OA^2 + OB^2 - AB^2}{2 OA \cdot OB}$.
• Nếu $\widehat{AOB} \le 90^\circ \implies (a, b) = \widehat{AOB}$. Nếu $\widehat{AOB} > 90^\circ \implies (a, b) = 180^\circ - \widehat{AOB}$.

Ví dụ 1: Cho hình lập phương $ABCD.A^\prime B^\prime C^\prime D^\prime$. Tính góc giữa hai đường thẳng $A^\prime B$ và $B^\prime C$.

Lời giải:

• Nhận xét: $A^\prime D \parallel B^\prime C$ (vì tứ giác $A^\prime B^\prime C D$ là hình bình hành do có $A^\prime B^\prime \parallel CD$ và $A^\prime B^\prime = CD$).

• Do đó: $(A^\prime B, B^\prime C) = (A^\prime B, A^\prime D) = \widehat{BA^\prime D}$ (hoặc bù với góc này).

• Nối $BD$, ta xét tam giác $A^\prime B D$:

Giả sử cạnh hình lập phương bằng $a$. Khi đó:

$A^\prime B = a\sqrt{2}$ (đường chéo hình vuông $ABB^\prime A^\prime$).

$A^\prime D = a\sqrt{2}$ (đường chéo hình vuông $ADD^\prime A^\prime$).

$BD = a\sqrt{2}$ (đường chéo hình vuông $ABCD$).

Suy ra tam giác $A^\prime B D$ là tam giác đều có 3 cạnh bằng nhau $\implies \widehat{BA^\prime D} = 60^\circ \le 90^\circ$.

Vậy góc giữa hai đường thẳng $A^\prime B$ và $B^\prime C$ bằng $60^\circ$.

Dạng 2: Chứng minh hai đường thẳng vuông góc bằng tích vô hướng vectơ

Phương pháp: Để chứng minh $a \perp b$, ta lấy hai VTCP $\vec{u}, \vec{v}$ tương ứng rồi chứng minh $\vec{u} \cdot \vec{v} = 0$ bằng cách phân tích chúng theo ba vectơ không đồng phẳng xuất phát từ một đỉnh.

Ví dụ 2: Cho tứ diện đều $ABCD$. Chứng minh rằng đoạn thẳng nối hai cạnh đối diện $AB$ và $CD$ vuông góc với nhau ($AB \perp CD$).

Lời giải:

Đặt độ dài tất cả các cạnh của tứ diện đều bằng $a$. Chọn đỉnh $A$ làm gốc, biểu diễn:

$\overrightarrow{AB}$, $\overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AC}$.

Ta tính tích vô hướng $\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD}$:

$$\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD} = \overrightarrow{AB} \cdot (\overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AC}) = \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} - \overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC}$$

Vì các mặt của tứ diện đều là các tam giác đều cạnh $a$ có các góc bằng $60^\circ$ nên:

$\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AD} = |\overrightarrow{AB}| \cdot |\overrightarrow{AD}| \cdot \cos 60^\circ = a \cdot a \cdot \frac{1}{2} = \frac{a^2}{2}$.

$\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{AC} = |\overrightarrow{AB}| \cdot |\overrightarrow{AC}| \cdot \cos 60^\circ = a \cdot a \cdot \frac{1}{2} = \frac{a^2}{2}$.

Do đó: $\overrightarrow{AB} \cdot \overrightarrow{CD} = \frac{a^2}{2} - \frac{a^2}{2} = 0$.

Vậy $\overrightarrow{AB} \perp \overrightarrow{CD} \implies AB \perp CD$.


5. Các Bẫy Sai Lầm Kinh Điển Cần Tránh (`tip-box`)

  • Nhầm góc tù: Khi tính góc trong tam giác phẳng ra góc tù (ví dụ $120^\circ$), học sinh thường vội kết luận góc giữa hai đường thẳng là $120^\circ$. Đây là sai sót nghiêm trọng! Góc giữa hai đường thẳng không bao giờ vượt quá $90^\circ$, phải lấy bù lại là $180^\circ - 120^\circ = 60^\circ$.
  • Nhầm lẫn "vuông góc thì phải cắt nhau": Trong không gian, hai đường thẳng vuông góc đa phần là chéo nhau.
  • Nhầm lẫn giữa góc giữa 2 vectơ và góc giữa 2 đường thẳng: Góc giữa 2 vectơ có thể từ $0^\circ$ đến $180^\circ$, còn góc giữa 2 đường thẳng chỉ từ $0^\circ$ đến $90^\circ$.
Bài trước Bài tiếp