Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
- I. GIỚI THIỆU
- 1. Hình học không gian là gì?
- 2. Tại sao cần học công thức hình học không gian?
- 3. Cấu trúc bài viết
- II. CÔNG THỨC VỀ VỊ TRÍ TƯƠNG ĐỐI
- A. Vị trí tương đối giữa đường thẳng và mặt phẳng
- B. Vị trí tương đối giữa hai đường thẳng
- C. Vị trí tương đối giữa hai mặt phẳng
- III. CÔNG THỨC VỀ KHOẢNG CÁCH
- A. Khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng
- B. Khoảng cách từ điểm đến đường thẳng
- C. Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau
- D. Khoảng cách giữa đường thẳng và mặt phẳng song song
- E. Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song
- IV. CÔNG THỨC VỀ GÓC
- A. Góc giữa hai đường thẳng
- B. Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
- C. Góc giữa hai mặt phẳng
- V. CÔNG THỨC DIỆN TÍCH CÁC HÌNH PHẲNG
- Bảng tổng hợp công thức diện tích
- VI. CÔNG THỨC THỂ TÍCH VÀ DIỆN TÍCH KHỐI ĐA DIỆN
- A. Hình hộp chữ nhật
- B. Hình lập phương
- C. Hình lăng trụ
- D. Hình chóp
- E. Hình chóp cụt đều
- F. Tứ diện
- G. Hình hộp
- VII. CÔNG THỨC THỂ TÍCH VÀ DIỆN TÍCH KHỐI TRÒN XOAY
- A. Hình trụ (Cylinder)
- B. Hình nón (Cone)
- C. Hình nón cụt
- D. Hình cầu (Sphere)
- E. Mặt cầu – Các công thức liên quan
- F. Hình xuyến (Torus)
- VIII. CÔNG THỨC VỀ TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN
- A. Vector trong không gian
- B. Tọa độ điểm
- C. Phương trình đường thẳng
- D. Phương trình mặt phẳng
- IX. CÔNG THỨC ĐẶC BIỆT
- A. Công thức tỷ lệ thể tích
- B. Công thức Euler về đa diện lồi
- C. Công thức thể tích tứ diện
- D. Công thức diện tích tam giác trong không gian
- X. KẾT LUẬN
- Tổng kết
- Tài liệu tham khảo mở rộng
I. GIỚI THIỆU
1. Hình học không gian là gì?
Hình học không gian là ngành toán học nghiên cứu về các hình và quan hệ giữa chúng trong không gian ba chiều (3D). Đây là sự mở rộng của hình học phẳng từ 2 chiều lên 3 chiều.
Các yếu tố cơ bản trong hình học không gian:
- Điểm: Vị trí trong không gian, không có kích thước
- Đường thẳng: Tập hợp vô số điểm thẳng hàng, kéo dài vô tận hai phía
- Mặt phẳng: Bề mặt phẳng kéo dài vô tận, chia không gian thành hai phần
- Khối đa diện: Hình lập phương, hình hộp, hình chóp, lăng trụ…
- Khối tròn xoay: Hình trụ, hình nón, hình cầu…
2. Tại sao cần học công thức hình học không gian?
Trong học tập:
- Nền tảng chương trình Toán 11, 12: Chiếm tỷ trọng lớn trong chương trình THPT
- Bài tập thi THPT Quốc gia: Thường có 2-3 câu hình học không gian trong đề thi
- Kiến thức cơ sở: Cho các môn Vật lý, Hóa học, Kỹ thuật ở bậc đại học
- Phát triển tư duy: Tư duy logic, tư duy không gian 3D
Trong thực tế:
- Kiến trúc: Thiết kế nhà cửa, công trình, tính toán kết cấu
- Kỹ thuật: Thiết kế cơ khí, sản xuất, chế tạo
- Thiết kế đồ họa: Mô hình 3D, game, phim hoạt hình
- Xây dựng: Tính toán vật liệu, thể tích bê tông, diện tích sơn
- Đời sống: Tính dung tích bể nước, thùng chứa, hộp quà
3. Cấu trúc bài viết
Bài viết được tổ chức thành các phần chính:
- Phần II: Công thức về vị trí tương đối (đường thẳng, mặt phẳng)
- Phần III: Công thức về khoảng cách (điểm, đường, mặt)
- Phần IV: Công thức về góc (đường-đường, đường-mặt, mặt-mặt)
- Phần V: Công thức diện tích các hình phẳng
- Phần VI: Công thức thể tích và diện tích khối đa diện
- Phần VII: Công thức thể tích và diện tích khối tròn xoay
- Phần VIII: Công thức về tọa độ trong không gian
- Phần IX: Các công thức đặc biệt
II. CÔNG THỨC VỀ VỊ TRÍ TƯƠNG ĐỐI
A. Vị trí tương đối giữa đường thẳng và mặt phẳng
Cho đường thẳng $d$ và mặt phẳng $(\alpha)$ trong không gian.
| Vị trí tương đối | Điều kiện | Số điểm chung | Ký hiệu |
|---|---|---|---|
| d nằm trong $(\alpha)$ | Mọi điểm của d đều thuộc $(\alpha)$ | Vô số điểm | $d \subset (\alpha)$ |
| d cắt $(\alpha)$ | d và $(\alpha)$ có đúng 1 điểm chung | 1 điểm | $d \cap (\alpha) = {A}$ |
| d song song $(\alpha)$ | d và $(\alpha)$ không có điểm chung | 0 điểm | $d \parallel (\alpha)$ |
Lưu ý:
- Nếu $d \subset (\alpha)$, ta nói d thuộc $(\alpha)$
- Nếu $d \cap (\alpha) = {A}$, đường thẳng d đi qua điểm A và không song song với $(\alpha)$
B. Vị trí tương đối giữa hai đường thẳng
Cho hai đường thẳng $d$ và $d’$ trong không gian.
| Vị trí tương đối | Điều kiện | Số điểm chung |
|---|---|---|
| Trùng nhau | $d \equiv d’$ | Vô số điểm |
| Song song | Cùng phương, không trùng nhau | 0 điểm |
| Cắt nhau | Cùng nằm trong một mặt phẳng và có 1 điểm chung | 1 điểm |
| Chéo nhau | Không cùng nằm trong bất kỳ mặt phẳng nào | 0 điểm |
Cách nhận biết:
- Trùng nhau: Mọi điểm của d đều thuộc d’
- Song song: $d \parallel d’$ khi chúng cùng phương và không trùng
- Cắt nhau: $d \cap d’ = {A}$ và d, d’ cùng nằm trong một mặt phẳng
- Chéo nhau: Không song song, không cắt nhau
Lưu ý quan trọng:
- Trong không gian, hai đường thẳng không song song chưa chắc đã cắt nhau (có thể chéo nhau)
- Đây là điểm khác biệt cơ bản so với hình học phẳng
C. Vị trí tương đối giữa hai mặt phẳng
Cho hai mặt phẳng $(\alpha)$ và $(\beta)$ trong không gian.
| Vị trí tương đối | Điều kiện | Giao tuyến |
|---|---|---|
| Trùng nhau | $(\alpha) \equiv (\beta)$ | Trùng nhau |
| Song song | Không có điểm chung | Không có |
| Cắt nhau | Có vô số điểm chung | Đường thẳng d |
Ký hiệu:
- Song song: $(\alpha) \parallel (\beta)$
- Cắt nhau: $(\alpha) \cap (\beta) = d$
Tính chất:
- Nếu hai mặt phẳng cắt nhau thì giao tuyến là một đường thẳng
- Hai mặt phẳng song song thì không có điểm chung
- Ba mặt phẳng có thể cắt nhau tại một đường thẳng hoặc một điểm
III. CÔNG THỨC VỀ KHOẢNG CÁCH
A. Khoảng cách từ điểm đến mặt phẳng
Định nghĩa: Khoảng cách từ điểm M đến mặt phẳng $(\alpha)$ là độ dài đoạn vuông góc MH, với H là hình chiếu của M lên $(\alpha)$.
Công thức tổng quát:
Cho mặt phẳng $(\alpha)$ có phương trình: $$Ax + By + Cz + D = 0$$
Và điểm $M(x_0, y_0, z_0)$, khoảng cách từ M đến $(\alpha)$ là:
$$\boxed{d(M, (\alpha)) = \frac{|Ax_0 + By_0 + Cz_0 + D|}{\sqrt{A^2 + B^2 + C^2}}}$$
Cách nhớ:
- Tử số: Thay tọa độ M vào phương trình mặt phẳng, lấy giá trị tuyệt đối
- Mẫu số: Căn bậc hai tổng bình phương các hệ số x, y, z
Ví dụ: Tính khoảng cách từ $M(1, 2, 3)$ đến mặt phẳng $2x – y + 2z – 5 = 0$
$$d = \frac{|2(1) – 2 + 2(3) – 5|}{\sqrt{4 + 1 + 4}} = \frac{|2 – 2 + 6 – 5|}{3} = \frac{1}{3}$$
B. Khoảng cách từ điểm đến đường thẳng
Định nghĩa: Khoảng cách từ điểm M đến đường thẳng d là độ dài đoạn vuông góc MH, với H là hình chiếu của M lên d.
Phương pháp hình học:
- Dựng hình chiếu H của M lên d
- Tính $MH = d(M, d)$
Công thức vector:
Cho đường thẳng d đi qua điểm $A$ và có vector chỉ phương $\vec{u}$, điểm $M$ ngoài d:
$$\boxed{d(M, d) = \frac{|\vec{MA} \times \vec{u}|}{|\vec{u}|}}$$
Trong đó:
- $\vec{MA}$: Vector từ M đến A
- $\vec{u}$: Vector chỉ phương của d
- $\times$: Tích có hướng (tích vector)
- $|\vec{v}|$: Độ dài vector $\vec{v}$
C. Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau
Định nghĩa: Khoảng cách giữa hai đường thẳng chéo nhau $d_1$ và $d_2$ là độ dài đoạn vuông góc chung AB, với A thuộc $d_1$ và B thuộc $d_2$.
Công thức:
$$\boxed{d(d_1, d_2) = \frac{|\vec{AB} \cdot (\vec{u_1} \times \vec{u_2})|}{|\vec{u_1} \times \vec{u_2}|}}$$
Trong đó:
- $A \in d_1$, $B \in d_2$ (bất kỳ)
- $\vec{u_1}$: Vector chỉ phương của $d_1$
- $\vec{u_2}$: Vector chỉ phương của $d_2$
- $\vec{u_1} \times \vec{u_2}$: Tích có hướng
Cách tính:
- Lấy điểm A trên $d_1$ và điểm B trên $d_2$
- Tính $\vec{AB}$
- Tính $\vec{u_1} \times \vec{u_2}$
- Áp dụng công thức
D. Khoảng cách giữa đường thẳng và mặt phẳng song song
Điều kiện: Đường thẳng d song song với mặt phẳng $(\alpha)$, tức $d \parallel (\alpha)$.
Công thức: $$\boxed{d(d, (\alpha)) = d(M, (\alpha))}$$
với M là điểm bất kỳ trên đường thẳng d.
Giải thích: Vì d song song với $(\alpha)$ nên mọi điểm trên d đều cách $(\alpha)$ một khoảng bằng nhau.
E. Khoảng cách giữa hai mặt phẳng song song
Điều kiện: Hai mặt phẳng $(\alpha)$ và $(\beta)$ song song với nhau, tức $(\alpha) \parallel (\beta)$.
Công thức: $$\boxed{d((\alpha), (\beta)) = d(M, (\beta))}$$
với M là điểm bất kỳ trên mặt phẳng $(\alpha)$.
Giải thích: Mọi điểm trên $(\alpha)$ đều cách $(\beta)$ một khoảng bằng nhau.
Cách tính:
- Chọn điểm M bất kỳ trên $(\alpha)$
- Tính khoảng cách từ M đến $(\beta)$
IV. CÔNG THỨC VỀ GÓC
A. Góc giữa hai đường thẳng
Định nghĩa: Góc giữa hai đường thẳng $d_1$ và $d_2$ trong không gian là góc giữa hai đường thẳng $d_1’$ và $d_2’$ cùng đi qua một điểm và lần lượt song song với $d_1$ và $d_2$.
Công thức:
$$\boxed{\cos(d_1, d_2) = \frac{|\vec{u_1} \cdot \vec{u_2}|}{|\vec{u_1}| \cdot |\vec{u_2}|}}$$
Trong đó:
- $\vec{u_1}$, $\vec{u_2}$: Vector chỉ phương của $d_1$, $d_2$
- $\vec{u_1} \cdot \vec{u_2}$: Tích vô hướng
- Có dấu giá trị tuyệt đối ở tử số
Lưu ý quan trọng:
- Góc giữa hai đường thẳng luôn từ $0°$ đến $90°$
- Nếu tính được góc tù, lấy góc bù của nó
Trường hợp đặc biệt:
- Nếu $\vec{u_1} \cdot \vec{u_2} = 0$ thì $d_1 \perp d_2$ (vuông góc)
B. Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng
Định nghĩa: Góc giữa đường thẳng d và mặt phẳng $(\alpha)$ là góc giữa d và hình chiếu d’ của nó lên $(\alpha)$.
Công thức:
$$\boxed{\sin(d, (\alpha)) = \frac{|\vec{u} \cdot \vec{n}|}{|\vec{u}| \cdot |\vec{n}|}}$$
Trong đó:
- $\vec{u}$: Vector chỉ phương của d
- $\vec{n}$: Vector pháp tuyến của $(\alpha)$
Lưu ý:
- Dùng sin (không phải cos)
- Góc giữa đường thẳng và mặt phẳng luôn từ $0°$ đến $90°$
Trường hợp đặc biệt:
- Nếu $\vec{u} \cdot \vec{n} = 0$ thì $d \parallel (\alpha)$ hoặc $d \subset (\alpha)$
- Nếu $|\vec{u} \cdot \vec{n}| = |\vec{u}| \cdot |\vec{n}|$ thì $d \perp (\alpha)$
C. Góc giữa hai mặt phẳng
Định nghĩa: Góc giữa hai mặt phẳng $(\alpha)$ và $(\beta)$ là góc giữa hai đường thẳng lần lượt vuông góc với $(\alpha)$ và $(\beta)$.
Công thức:
$$\boxed{\cos((\alpha), (\beta)) = \frac{|\vec{n_1} \cdot \vec{n_2}|}{|\vec{n_1}| \cdot |\vec{n_2}|}}$$
Trong đó:
- $\vec{n_1}$: Vector pháp tuyến của $(\alpha)$
- $\vec{n_2}$: Vector pháp tuyến của $(\beta)$
Lưu ý:
- Dùng cos (như góc giữa hai đường thẳng)
- Góc giữa hai mặt phẳng luôn từ $0°$ đến $90°$
Trường hợp đặc biệt:
- Nếu $\vec{n_1} \cdot \vec{n_2} = 0$ thì $(\alpha) \perp (\beta)$
V. CÔNG THỨC DIỆN TÍCH CÁC HÌNH PHẲNG
Bảng tổng hợp công thức diện tích
| Hình | Công thức diện tích | Ký hiệu |
|---|---|---|
| Hình chữ nhật | $S = a \times b$ | a, b: hai cạnh |
| Hình vuông | $S = a^2$ | a: cạnh |
| Hình thoi | $S = \frac{d_1 \times d_2}{2}$ | $d_1, d_2$: hai đường chéo |
| Hình bình hành | $S = a \times h$ | a: cạnh đáy, h: chiều cao |
| Hình thang | $S = \frac{(a+b) \times h}{2}$ | a, b: hai đáy, h: chiều cao |
| Tam giác | $S = \frac{a \times h}{2}$ | a: cạnh đáy, h: chiều cao |
| Tam giác (Heron) | $S = \sqrt{p(p-a)(p-b)(p-c)}$ | $p = \frac{a+b+c}{2}$ |
| Tam giác đều | $S = \frac{a^2\sqrt{3}}{4}$ | a: cạnh |
| Tam giác vuông | $S = \frac{a \times b}{2}$ | a, b: hai cạnh góc vuông |
| Hình tròn | $S = \pi R^2$ | R: bán kính |
| Hình quạt tròn | $S = \frac{\alpha}{360°} \times \pi R^2$ | $\alpha$: góc ở tâm |
Ghi chú:
- Công thức Heron: $p$ là nửa chu vi tam giác
- Tam giác đều: Công thức này áp dụng khi biết độ dài cạnh
- Hình quạt: $\alpha$ tính bằng độ, hoặc $S = \frac{1}{2}R^2\alpha$ (với $\alpha$ tính bằng radian)
VI. CÔNG THỨC THỂ TÍCH VÀ DIỆN TÍCH KHỐI ĐA DIỆN
A. Hình hộp chữ nhật
Đặc điểm: 6 mặt đều là hình chữ nhật, 3 kích thước a, b, c.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = a \times b \times c$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = 2(a+b) \times c$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = 2(ab + bc + ca)$ |
| Đường chéo | $d = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2}$ |
Ghi chú:
- Diện tích xung quanh: Tổng diện tích 4 mặt bên (không tính hai đáy)
- Diện tích toàn phần: Tổng diện tích tất cả 6 mặt
B. Hình lập phương
Đặc điểm: 6 mặt đều là hình vuông bằng nhau, cạnh a.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = a^3$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = 4a^2$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = 6a^2$ |
| Đường chéo | $d = a\sqrt{3}$ |
| Đường chéo mặt | $d_{mặt} = a\sqrt{2}$ |
Công thức đặc biệt:
- Bán kính mặt cầu ngoại tiếp: $R = \frac{a\sqrt{3}}{2}$
- Bán kính mặt cầu nội tiếp: $r = \frac{a}{2}$
C. Hình lăng trụ
Đặc điểm: Hai đáy là hai đa giác bằng nhau, các mặt bên là hình bình hành.
Lăng trụ đứng:
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = S_{đáy} \times h$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = P_{đáy} \times h$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = S_{xq} + 2S_{đáy}$ |
Trong đó:
- $S_{đáy}$: Diện tích đáy
- $P_{đáy}$: Chu vi đáy
- $h$: Chiều cao (khoảng cách giữa hai đáy)
Lăng trụ xiên:
$$V = S_{đáy} \times h$$
(h là khoảng cách giữa hai đáy, không phải độ dài cạnh bên)
Lăng trụ đều:
Đặc điểm: Đáy là đa giác đều, các cạnh bên vuông góc với đáy.
D. Hình chóp
Đặc điểm: Có một đáy là đa giác, các mặt bên là tam giác có chung đỉnh.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = \frac{1}{3} S_{đáy} \times h$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = \sum S_{mặt bên}$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = S_{xq} + S_{đáy}$ |
Ghi chú: Thể tích hình chóp bằng 1/3 thể tích hình lăng trụ có cùng đáy và chiều cao.
Hình chóp đều:
Đặc điểm:
- Đáy là đa giác đều
- Chân đường cao trùng với tâm đáy
- Các mặt bên là tam giác cân bằng nhau
Công thức diện tích xung quanh:
$$S_{xq} = \frac{1}{2} P_{đáy} \times d$$
Trong đó:
- $P_{đáy}$: Chu vi đáy
- $d$: Trung đoạn (đường cao của mặt bên, từ đỉnh đến trung điểm cạnh đáy)
E. Hình chóp cụt đều
Đặc điểm: Cắt hình chóp đều bởi mặt phẳng song song với đáy.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = \frac{h}{3}(S_1 + S_2 + \sqrt{S_1 S_2})$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = \frac{1}{2}(P_1 + P_2) \times d$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = S_{xq} + S_1 + S_2$ |
Trong đó:
- $S_1, S_2$: Diện tích hai đáy (đáy lớn và đáy nhỏ)
- $P_1, P_2$: Chu vi hai đáy
- $h$: Chiều cao
- $d$: Trung đoạn (đường nối trung điểm hai cạnh tương ứng của hai đáy)
F. Tứ diện
Đặc điểm: Khối đa diện có 4 mặt đều là tam giác.
Tứ diện thường:
$$V = \frac{1}{3} S_{đáy} \times h$$
Tứ diện đều cạnh a:
Đặc điểm: 4 mặt đều là tam giác đều bằng nhau.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = \frac{a^3\sqrt{2}}{12}$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = a^2\sqrt{3}$ |
| Chiều cao | $h = a\sqrt{\frac{2}{3}} = \frac{a\sqrt{6}}{3}$ |
| Bán kính mặt cầu ngoại tiếp | $R = \frac{a\sqrt{6}}{4}$ |
| Bán kính mặt cầu nội tiếp | $r = \frac{a\sqrt{6}}{12} = \frac{R}{3}$ |
Tứ diện vuông:
Đặc điểm: Ba cạnh OA, OB, OC xuất phát từ O vuông góc từng đôi một.
$$V = \frac{1}{6} \times OA \times OB \times OC$$
Đây là công thức đặc biệt rất hữu ích trong bài tập.
G. Hình hộp
| Loại hình hộp | Thể tích | Ghi chú |
|---|---|---|
| Hình hộp bất kỳ | $V = S_{đáy} \times h$ | h: chiều cao |
| Hình hộp đứng | $V = S_{đáy} \times h$ | Cạnh bên vuông góc đáy |
| Hình hộp chữ nhật | $V = a \times b \times c$ | 3 kích thước |
| Hình lập phương | $V = a^3$ | Cạnh a |
VII. CÔNG THỨC THỂ TÍCH VÀ DIỆN TÍCH KHỐI TRÒN XOAY
A. Hình trụ (Cylinder)
Đặc điểm: Hai đáy là hai hình tròn bằng nhau, mặt xung quanh vuông góc với đáy.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = \pi r^2 h$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = 2\pi r h$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = 2\pi r(r + h)$ |
| Diện tích một đáy | $S_{đáy} = \pi r^2$ |
Trong đó:
- $r$: Bán kính đáy
- $h$: Chiều cao (khoảng cách giữa hai đáy)
Cách nhớ:
- Diện tích xung quanh = Chu vi đáy × Chiều cao
- $S_{xq} = (2\pi r) \times h$
B. Hình nón (Cone)
Đặc điểm: Đáy là hình tròn, đỉnh nối với mọi điểm trên đường tròn đáy.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = \frac{1}{3}\pi r^2 h$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = \pi r l$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = \pi r(r + l)$ |
| Đường sinh | $l = \sqrt{r^2 + h^2}$ |
Trong đó:
- $r$: Bán kính đáy
- $h$: Chiều cao (khoảng cách từ đỉnh đến đáy)
- $l$: Đường sinh (độ dài từ đỉnh đến điểm trên đường tròn đáy)
Quan hệ giữa r, h, l: $$l^2 = r^2 + h^2$$ (Định lý Pythagore)
C. Hình nón cụt
Đặc điểm: Cắt hình nón bởi mặt phẳng song song với đáy.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = \frac{1}{3}\pi h(r_1^2 + r_1 r_2 + r_2^2)$ |
| Diện tích xung quanh | $S_{xq} = \pi(r_1 + r_2)l$ |
| Diện tích toàn phần | $S_{tp} = \pi[(r_1+r_2)l + r_1^2 + r_2^2]$ |
| Đường sinh | $l = \sqrt{h^2 + (r_1 – r_2)^2}$ |
Trong đó:
- $r_1, r_2$: Bán kính hai đáy ($r_1 > r_2$, $r_1$ là đáy lớn)
- $h$: Chiều cao
- $l$: Đường sinh
D. Hình cầu (Sphere)
Đặc điểm: Tập hợp các điểm cách đều một điểm cố định (tâm) một khoảng R.
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = \frac{4}{3}\pi R^3$ |
| Diện tích mặt cầu | $S = 4\pi R^2$ |
Trong đó: $R$ là bán kính hình cầu.
Cách nhớ:
- Thể tích: “Bốn phần ba pi R lập phương”
- Diện tích: “Bốn pi R bình phương”
E. Mặt cầu – Các công thức liên quan
Mặt cầu ngoại tiếp hình hộp chữ nhật:
$$R = \frac{1}{2}\sqrt{a^2 + b^2 + c^2}$$
(R bằng một nửa đường chéo hình hộp)
Mặt cầu ngoại tiếp hình lập phương:
$$R = \frac{a\sqrt{3}}{2}$$
Mặt cầu ngoại tiếp tứ diện đều cạnh a:
$$R = \frac{a\sqrt{6}}{4}$$
Mặt cầu nội tiếp tứ diện đều cạnh a:
$$r = \frac{a\sqrt{6}}{12} = \frac{R}{3}$$
Quan hệ: Bán kính mặt cầu nội tiếp bằng 1/3 bán kính mặt cầu ngoại tiếp.
F. Hình xuyến (Torus)
Đặc điểm: Quay hình tròn bán kính r quanh một trục cách tâm hình tròn khoảng R (với $R > r$).
| Đại lượng | Công thức |
|---|---|
| Thể tích | $V = 2\pi^2 R r^2$ |
| Diện tích | $S = 4\pi^2 R r$ |
Trong đó:
- $R$: Khoảng cách từ tâm hình tròn đến trục quay
- $r$: Bán kính hình tròn
Ứng dụng: Hình dạng bánh rán (donut), săm lốp xe.
VIII. CÔNG THỨC VỀ TỌA ĐỘ TRONG KHÔNG GIAN
A. Vector trong không gian
Tọa độ vector:
Vector $\vec{a}$ trong không gian Oxyz có tọa độ: $$\vec{a} = (x; y; z)$$
Hoặc: $\vec{a} = x\vec{i} + y\vec{j} + z\vec{k}$
Độ dài vector:
$$|\vec{a}| = \sqrt{x^2 + y^2 + z^2}$$
Tích vô hướng:
Cho $\vec{a} = (x_1; y_1; z_1)$ và $\vec{b} = (x_2; y_2; z_2)$:
$$\vec{a} \cdot \vec{b} = x_1x_2 + y_1y_2 + z_1z_2$$
Tích có hướng (tích vector):
$$\vec{a} \times \vec{b} = \begin{vmatrix} \vec{i} & \vec{j} & \vec{k} \ x_1 & y_1 & z_1 \ x_2 & y_2 & z_2 \end{vmatrix}$$
$$= (y_1z_2 – z_1y_2)\vec{i} – (x_1z_2 – z_1x_2)\vec{j} + (x_1y_2 – y_1x_2)\vec{k}$$
Góc giữa hai vector:
$$\cos(\vec{a}, \vec{b}) = \frac{\vec{a} \cdot \vec{b}}{|\vec{a}| \cdot |\vec{b}|}$$
B. Tọa độ điểm
Khoảng cách giữa hai điểm:
Cho $A(x_A; y_A; z_A)$ và $B(x_B; y_B; z_B)$:
$$AB = \sqrt{(x_B – x_A)^2 + (y_B – y_A)^2 + (z_B – z_A)^2}$$
Tọa độ trung điểm:
$$M = \left(\frac{x_A + x_B}{2}; \frac{y_A + y_B}{2}; \frac{z_A + z_B}{2}\right)$$
Tọa độ trọng tâm tam giác:
Cho tam giác ABC với $A(x_A; y_A; z_A)$, $B(x_B; y_B; z_B)$, $C(x_C; y_C; z_C)$:
$$G = \left(\frac{x_A + x_B + x_C}{3}; \frac{y_A + y_B + y_C}{3}; \frac{z_A + z_B + z_C}{3}\right)$$
Tọa độ trọng tâm tứ diện:
$$G = \left(\frac{x_A + x_B + x_C + x_D}{4}; \frac{y_A + y_B + y_C + y_D}{4}; \frac{z_A + z_B + z_C + z_D}{4}\right)$$
C. Phương trình đường thẳng
Dạng tham số:
$$\begin{cases} x = x_0 + at \ y = y_0 + bt \ z = z_0 + ct \end{cases}$$
Dạng chính tắc:
$$\frac{x – x_0}{a} = \frac{y – y_0}{b} = \frac{z – z_0}{c}$$
Trong đó:
- $(x_0, y_0, z_0)$: Tọa độ điểm đường thẳng đi qua
- $(a, b, c)$: Tọa độ vector chỉ phương $\vec{u}$
D. Phương trình mặt phẳng
Dạng tổng quát:
$$Ax + By + Cz + D = 0$$
Trong đó: $(A, B, C)$ là tọa độ vector pháp tuyến $\vec{n}$.
Phương trình mặt phẳng đi qua điểm $M_0(x_0, y_0, z_0)$ và có VTPT $\vec{n} = (A, B, C)$:
$$A(x – x_0) + B(y – y_0) + C(z – z_0) = 0$$
Phương trình mặt phẳng qua 3 điểm A, B, C:
$$\begin{vmatrix} x – x_A & y – y_A & z – z_A \ x_B – x_A & y_B – y_A & z_B – z_A \ x_C – x_A & y_C – y_A & z_C – z_A \end{vmatrix} = 0$$
IX. CÔNG THỨC ĐẶC BIỆT
A. Công thức tỷ lệ thể tích
Hình chóp với thiết diện song song đáy:
Cho hình chóp có thiết diện song song với đáy, cách đỉnh một khoảng $h’$, chiều cao toàn phần $h$:
$$\frac{V_{nhỏ}}{V_{lớn}} = \left(\frac{h’}{h}\right)^3$$
Hệ quả:
- Tỷ lệ diện tích: $\frac{S_{nhỏ}}{S_{lớn}} = \left(\frac{h’}{h}\right)^2$
- Tỷ lệ cạnh: $\frac{a_{nhỏ}}{a_{lớn}} = \frac{h’}{h}$
B. Công thức Euler về đa diện lồi
$$\boxed{Đ – C + M = 2}$$
Trong đó:
- $Đ$: Số đỉnh
- $C$: Số cạnh
- $M$: Số mặt
Ví dụ:
- Hình lập phương: $8 – 12 + 6 = 2$ ✓
- Tứ diện: $4 – 6 + 4 = 2$ ✓
C. Công thức thể tích tứ diện
Dùng tích hỗn tạp:
$$V = \frac{1}{6}|\vec{AB} \cdot (\vec{AC} \times \vec{AD})|$$
Dùng định thức:
Cho tứ diện ABCD với tọa độ các đỉnh:
$$V = \frac{1}{6}\left|\begin{vmatrix} x_B – x_A & y_B – y_A & z_B – z_A \ x_C – x_A & y_C – y_A & z_C – z_A \ x_D – x_A & y_D – y_A & z_D – z_A \end{vmatrix}\right|$$
D. Công thức diện tích tam giác trong không gian
Cho tam giác ABC trong không gian:
$$S_{ABC} = \frac{1}{2}|\vec{AB} \times \vec{AC}|$$
Cách tính:
- Tính $\vec{AB}$ và $\vec{AC}$
- Tính tích có hướng $\vec{AB} \times \vec{AC}$
- Tính độ dài của vector kết quả
- Nhân với 1/2
X. KẾT LUẬN
Tổng kết
Bài viết đã tổng hợp đầy đủ và hệ thống các công thức hình học không gian quan trọng:
Vị trí tương đối – Quan hệ giữa đường thẳng, mặt phẳng
Khoảng cách – 5 loại khoảng cách cơ bản trong không gian
Góc – Góc giữa đường-đường, đường-mặt, mặt-mặt
Diện tích hình phẳng – 11 công thức diện tích thường dùng
Khối đa diện – Hình hộp, lăng trụ, chóp, tứ diện với công thức thể tích và diện tích
Khối tròn xoay – Hình trụ, nón, cầu, xuyến
Tọa độ không gian – Vector, điểm, đường thẳng, mặt phẳng
Công thức đặc biệt – Tỷ lệ thể tích, công thức Euler, tứ diện
Tài liệu tham khảo mở rộng
Các chủ đề nên học thêm:
- [Công thức thể tích khối đa diện chi tiết]
- [Bài tập hình học không gian có lời giải]
- [Phương pháp tọa độ trong không gian Oxyz]
- [Khoảng cách và góc trong không gian]
- [Mặt cầu – Tính chất và bài tập]
- [Bất đẳng thức hình học không gian]
ThS. Nguyễn Văn An
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Tổ trưởng chuyên môn Tổ Toán tại Edus
Trình độ: Cử nhân Sư phạm Toán học, Thạc sĩ Lý luận & Phương pháp dạy học môn Toán, Chức danh nghề nghiệp giáo viên THPT – Hạng II, Tin học ứng dụng cơ bản, Ngoại ngữ B1, Chứng chỉ bồi dưỡng năng lực tổ trưởng chuyên môn
Kinh nghiệm: 12+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT chuyên Trần Đại Nghĩa
