Trong không gian \(Oxyz\), cho mặt cầu \(\left( C \right):\,\,\,{\left( {x + 1} \right)^2} + {\left( {y - 3} \right)^2} + {\left( {z - 2} \right)^2} = 1\) và hai điểm \(A\left( {2;1;0} \right)\), \(B\left( {0;2;0} \right)\). Khi điểm \(S\) thay đổi trên mặt cầu \(\left( C \right)\), thể tích của khối chóp \(S.OAB\) có giá trị lớn nhất bằng bao nhiêu?
Trả lời bởi giáo viên
Bước 1:
Dễ dàng nhận thấy \(O,\,\,A,\,\,B\) đều nằm ngoài mặt cầu \(\left( C \right)\) nên \(\left( {OAB} \right)\) không cắt mặt cầu \(\left( C \right)\).
Mặt cầu \(\left( C \right)\) ta có tâm \(I\left( { - 1;3;2} \right)\), bán kính \(R = 1\).
Ta có \(\overrightarrow {OA} = \left( {2;1;0} \right),\,\,\overrightarrow {OB} = \left( {0;2;0} \right) \Rightarrow \left[ {\overrightarrow {OA} ;\overrightarrow {OB} } \right] = \left( {0;0;4} \right)\)
\( \Rightarrow {S_{\Delta OAB}} = \dfrac{1}{2}\left| {\left[ {\overrightarrow {OA} ;\overrightarrow {OB} } \right]} \right| = 2\)
Bước 2:
\( \Rightarrow {V_{S.OAB}} = \dfrac{1}{3}d\left( {S;\left( {OAB} \right)} \right).{S_{\Delta OAB}}\).
Vì \({S_{\Delta OAB}}\) không đổi nên \({V_{S.OAB}}\) đạt giá trị lớn nhất khi và chỉ khi \(d\left( {S;\left( {OAB} \right)} \right)\) lớn nhất, khi đó \(d\left( {S;\left( {OAB} \right)} \right) = R + d\left( {I;\left( {OAB} \right)} \right)\).
Bước 3:
Mặt phẳng \(\left( {OAB} \right)\) nhận \(\overrightarrow n = \dfrac{1}{4}\left[ {\overrightarrow {OA} ;\overrightarrow {OB} } \right] = \left( {0;0;1} \right)\) là 1 VTPT nên có phương trình: \(z = 0\).
\( \Rightarrow d\left( {I;\left( {OAB} \right)} \right) = \left| {{z_I}} \right| = 2\) \( \Rightarrow d{\left( {S;\left( {OAB} \right)} \right)_{\max }} = 1 + 2 = 3\).
Vậy \(\max {V_{S.OAB}} = \dfrac{1}{3}.3.2 = 2\).
Hướng dẫn giải:
Bước 1: Tính \({S_{\Delta OAB}} = \dfrac{1}{2}\left| {\left[ {\overrightarrow {OA} ;\overrightarrow {OB} } \right]} \right| = const\)
Bước 2: Tính \({V_{S.OAB}} = \dfrac{1}{3}d\left( {S;\left( {OAB} \right)} \right).{S_{\Delta OAB}}\), từ đó suy ra \({V_{S.OAB}}\) đạt giá trị lớn nhất khi và chỉ khi \(d\left( {S;\left( {OAB} \right)} \right)\) lớn nhất.
Bước 3: Vẽ hình và suy ra vị trí của \(S\) để \(d\left( {S;\left( {OAB} \right)} \right)\) lớn nhất.