Bài 5. PHÉP CHIẾU SONG SONG

1. Khái niệm phép chiếu song song

Phép chiếu song song thường được dùng để biểu diễn các hình trong không gian lên một mặt phẳng.

Định nghĩa

Trong không gian, cho mặt phẳng \((P)\) và đường thẳng \(l\) cắt \((P)\). Với mỗi điểm \(M\) trong không gian, vẽ một đường thẳng đi qua \(M\) và song song hoặc trùng với \(l\). Đường thẳng này cắt \((P)\) tại \(M'\). Phép cho tương ứng mỗi điểm \(M\) trong không gian với điểm \(M'\) trong \((P)\) được gọi là phép chiếu song song lên mặt phẳng \((P)\) theo phương \(l\).

+ Mặt phẳng \((P)\) được gọi là mặt phẳng chiếu và đường thẳng \(l\) được gọi là phương chiếu của phép chiếu song song nói trên.

+ Phép chiếu song song theo phương \(l\) còn được gọi tắt là phép chiếu theo phương \(l\).

+ Điểm \(M'\) gọi là ảnh của điểm \(M\) qua phép chiếu theo phương \(l\).

+ Cho hình \(\mathscr{H}\) trong không gian. Ta gọi tập hợp \(\mathscr{H}'\) các ảnh \(M'\) của tất cả những điểm \(M\) thuộc \(\mathscr{H}\) qua phép chiếu song song theo phương \(l\) là hình chiếu song song của \(\mathscr{H}\) lên mặt phẳng \((P)\).

2. Các tính chất cơ bản của phép chiếu song song

Tính chất 1.

Hình chiếu song song của một đường thẳng là một đường thẳng. Hình chiếu song song của một đoạn thẳng là một đoạn thẳng. Hình chiếu song song của một tia là một tia.

Tính chất 2.

Hình chiếu song song của hai đường thẳng song song là hai đường thẳng song song hoặc trùng nhau.

Tính chất 3.

+ Phép chiếu song song biến ba điểm thẳng hàng thành ba điểm thẳng hàng và không làm thay đổi thứ tự ba điểm đó.

+ Phép chiếu song song không làm thay đổi tỉ số độ dài của hai đoạn thẳng nằm trên hai đường thẳng song song hoặc trùng nhau.

Ví dụ.

a. Tìm hình chiếu song song của đoạn thẳng \(AC\), tia \(AB\) và đường thẳng \(AD\) trong Hình b).

b. Quan sát Hình a) và so sánh hai ti số \(\displaystyle\frac{AB}{CD},\displaystyle\frac{A'B'}{C'D'}\).

c. Quan sát Hình b) và so sánh hai tỉ số \(\displaystyle\frac{DA}{DB},\displaystyle\frac{D'A'}{D'B'}\).

a. Trong Hình b), hình chiếu song song của đoạn thẳng \(AC\), tia \(AB\) và đường thẳng \(AD\) lần lượt là đoạn thẳng \(A'C'\), tia \(A'B'\) và đường thẳng \(A'D'\).

b. Do phép chiếu song song không làm thay đồi tỉ số độ dài của các đoạn thẳng nằm trên hai đường thẳng song song nên trong Hình a), ta có \(\displaystyle\frac{AB}{CD}=\displaystyle\frac{A'B'}{C'D'}\).

c. Do phép chiếu song song không làm thay đổi tỉ số độ dài của các đoạn thẳng cùng thuộc một đường thẳng nên trong Hình b), ta có \(\displaystyle\frac{DA}{DB}=\displaystyle\frac{D'A'}{D'B'}\).

3. Hình biểu diễn của một hình không gian

Hình biểu diễn của một hình \(\mathscr{H}\) trong không gian là hình chiếu song song của \(\mathscr{H}\) trên một mặt phẳng theo một phương chiếu nào đó hoặc hình đồng dạng với hình chiếu đó.

Chú ý.

Dựa theo tính chất của phép chiếu song song, ta phải tuân theo một số quy tắc khi vẽ hình biểu diễn, chẳng hạn như

+ Nếu trên hình \(\mathscr{H}\) có hai đoạn thẳng nằm trên hai đường thẳng song song (hoặc trùng nhau) thì chúng được biểu diễn bằng hai đoạn thẳng nằm trên hai đường thẳng song song (hoặc trùng nhau) và tỉ số độ dài của hai đoạn thẳng này phải bằng tỉ số độ dài của hai đoạn thẳng tương ứng trên hình \(\mathscr{H}\).

+ Nếu hình phẳng nằm trong mặt phẳng không song song với phương chiếu thì

\(\quad -\) Hình biểu diễn của một đường tròn thường là một elip.

\(\quad -\) Hình biểu diễn của một tam giác (vuông, cân, đều) là một tam giác.

\(\quad -\) Hình biểu diễn của hình vuông, hình chữ nhật, hình thoi, hình bình hành là hình bình hành.

Ví dụ 1. Quan sát bên dưới và tìm hình biểu diễn của

a. đoạn thẳng \(AB\).

b. tam giác \(ABC\).

c. đường tròn \((C)\) tâm \(O\).

a. Hình biểu diễn của đoạn thẳng \(A B\) là đoạn thẳng \(A'B'\) với \(A'\) và \(B'\) lần lượt là ảnh của \(A\) và \(B\).

b. Hình biểu diễn của tam giác \(ABC\) là tam giác \(A'B'C'\) với \(A', B', C'\) lần lượt là ảnh của \(A, B, C\)

c. Hình biểu diễn của đường tròn \((C)\) là elip \((E)\) với tâm \(O'\) là ảnh của \(O\).

Ví dụ 2. Vẽ hình biểu diễn và nêu nhận xét về hình biểu diễn của các mặt của các hình sau

a. Hình hộp.

b. Lăng trụ có đáy là lục giác đều.

c. Tứ diện.

a. Hình biểu diễn của các mặt là các hình bình hành.

b. Hình biểu diễn của mặt đáy là lục giác có các cặp cạnh đối song song và bằng nhau, đồng thời song song với đường chéo nối hai đỉnh còn lại. Hình biểu diễn của mặt bên là hình bình hành.

c. Hình biểu diễn của bốn mặt là bốn tam giác.

BÀI TẬP

Bài tập 1. Trong các mệnh đề sau, mệnh đề nào đúng?

a. Một đường thẳng có thể song song với hình chiếu của nó.

b. Một đường thẳng có thể trùng với hình chiếu của nó.

c. Hình chiếu song song của hai đường thẳng chéo nhau có thể song song với nhau.

d. Hình chiếu song song của hai đường thẳng chéo nhau có thể trùng nhau.

a. Đúng.

b. Đúng.

c. Đúng.

d. Sai, vì hình chiếu song song của hai đường thẳng chéo nhau cắt nhau hoặc song song.

Bài tập 2. Vẽ hình biểu diễn của một lục giác đều.

+ Xét hình lục giác đều \(ABCDEF\), ta nhận thấy

\(\quad -\) Tứ giác \(OABC\) là hình thoi.

\(\quad -\) Các điểm \(D, E, F\) lần lượt là các điểm đối xứng của các điểm \(A, B, C\), qua tâm \(O\).

+ Từ đó suy ra cách vẽ hình biễu diễn của lục giác đều \(ABCDEF\) như sau

\(\quad -\) Vẽ hình bình hành \(O'A'B'C'\) biễu diễn cho hình thoi \(OABC\).

\(\quad -\) Lấy các điểm \(D', E', F'\) lần lượt đối xứng với các điểm \(A', B', C'\) qua \(O\), ta được hình biễu diễn \(A'B'C'D'E'F'\) của hình lục giác đều \(ABCDEF\).

Bài tập 3. Vẽ hình biểu diễn của một hình vuông nội tiếp trong một hình tròn.

+ Hình vuông \(A'B'C'D'\) nội tiếp \((O)\) khi có hai đường chéo là 2 đường kính vuông góc nhau, do đó \(A'C'\) và \(B'D'\) song song với hai cạnh của tam giác vuông nội tiếp \((O)\).

+ Trước hết, vẽ tam giác \(ABC\) là hình biểu diễn của một tam giác vuông tại nội tiếp trong một đường tròn.

+ Qua \(O\) ta kẻ hai dây \(A'C'\) và \(B'D'\) của elip lần lượt song song với \(AC\) và \(AB\). Khi đó tứ giác \(A'B'C'D'\) là hình biếu diễn của một hình vuông nội tiếp trong một đường tròn.

Bài tập 4. Cho hai điểm \(A, B\) nằm ngoài mặt phẳng \((\alpha)\) và đường thẳng \(d\) cắt \((\alpha\)). Già sử đường thẳng \(AB\) cắt \((\alpha)\) tại điểm \(O\). Gọi \(A'\) và \(B'\) lần lượt là hình chiếu song song của \(A\) và \(B\) trên \((\alpha)\) theo phương của đường thẳng \(d\). Ba điểm \(O, A', B'\) có thẳng hàng không? Vì sao? Chọn \(d\) sao cho

a. \(A'B'=AB\).

b. \(A'B'=2AB\).

a. Ba điểm \(O,A'\), \(B'\) thẳng hàng. Vì chúng nằm trên giao tuyến của mặt phẳng \(\alpha\) và mặt phẳng qua \(AB\) và song song \(d\).

+ Nếu \(A'B'=AB\) thì \(ABB'A'\) là hình thang cân

\(\Rightarrow\triangle OAA'\) cân tại \(O\) \(\Rightarrow OA'=OA\)

\(\Rightarrow\) Phương d thỏa mãn \(d\) qua \(A,A'\) vờ \(A'\in(\alpha)\) sao cho \(OA'=OA\).

Ngược lại

+ Nếu phương \(d\) thỏa mãn \(d\) qua \(A,A'\) vói \(A'\in(\alpha)\) sao cho \(OA'=OA\) thì \(\triangle OAA'\) cân tại \(O\)

\(\Rightarrow ABB'A'\) là hình thang cân \(\Rightarrow AB=A'B'\).

b. Nếu \(A'B'=2 AB\) thì \(\triangle OAA'\) có \(OA'=2 OA\)

\(\Rightarrow\) Phương \(d\) thỏa mãn \(d\) qua \(A',A'\) với \(A'\in(\alpha)\) sao cho \(OA'=2 OA\).

Ngược lại

+ Nếu phương \(d\) thỏa mãn \(d\) qua \(A,A'\) vời \(A'\in(\alpha)\) sao cho \(OA'=2 OA\) thi \(\triangle OAA'\) có \(OA'=2 OA\) \(\Rightarrow A'B'=2AB\).

Bài tập 5. Vẽ hình biểu diễn của

a. Hình lăng trụ có đáy là tam giác đều.

b. Hình lăng trụ có đáy là lục giác đều.

c. Hình hộp.