Sách giáo khoa Toán 12 Tập hai

Giải Luyện tập 3 trang 57 SGK Toán 12

Bài 17. Phương trình mặt cầu   Đã kiểm chéo

Đề bài

Trong không gian $Oxyz$, cho $(S)$ là tập hợp các điểm $M(x; y; z)$ có toạ độ thoả mãn phương trình:
$(S): x^2 + y^2 + z^2 - 4x + 6y - 12 = 0$.
Chứng minh rằng $(S)$ là một mặt cầu. Xác định tâm và bán kính của mặt cầu đó.

Lời giải

Cách 1 — Đưa về dạng chính tắc bằng cách thêm bớt để tạo bình phương một tổng.

Ta nhóm các số hạng theo từng biến rồi thêm bớt để tạo thành các bình phương:

$$x^2 - 4x = (x-2)^2 - 4$$
$$y^2 + 6y = (y+3)^2 - 9$$

Thay vào phương trình đã cho:

$$(x-2)^2 - 4 + (y+3)^2 - 9 + z^2 - 12 = 0$$

$$(x-2)^2 + (y+3)^2 + z^2 = 25$$

Đây chính là phương trình mặt cầu dạng $(x-a)^2 + (y-b)^2 + (z-c)^2 = R^2$ với $R^2 = 25 > 0$.

Vậy $(S)$ là một mặt cầu có tâm $I(2\,;\,-3\,;\,0)$ và bán kính $R = \sqrt{25} = 5$.

Cách 2 — Dùng nhận xét trong SGK.

Phương trình có dạng $x^2 + y^2 + z^2 - 2ax - 2by - 2cz + d = 0$ với:

$$-2a = -4 \Rightarrow a = 2,\quad -2b = 6 \Rightarrow b = -3,\quad -2c = 0 \Rightarrow c = 0,\quad d = -12.$$

Xét biểu thức:

$$a^2 + b^2 + c^2 - d = 2^2 + (-3)^2 + 0^2 - (-12) = 4 + 9 + 0 + 12 = 25 > 0.$$

Vì $a^2 + b^2 + c^2 - d > 0$ nên $(S)$ là một mặt cầu có tâm $I(2\,;\,-3\,;\,0)$ và bán kính:

$$R = \sqrt{a^2 + b^2 + c^2 - d} = \sqrt{25} = 5.$$

Kiểm tra lại: Khai triển $(x-2)^2 + (y+3)^2 + z^2 = 25$ cho $x^2 - 4x + 4 + y^2 + 6y + 9 + z^2 - 25 = 0$, tức $x^2 + y^2 + z^2 - 4x + 6y - 12 = 0$, đúng bằng phương trình đề bài. Vậy kết quả chính xác.

Đáp số

đpcm; tâm $I(2; -3; 0)$, bán kính $R = 5$

Lời giải do Thư viện nhà trường biên soạn, giải và kiểm chéo độc lập theo SGK 2026-2027.