Xét tứ diện \(OABC\) có \(OA\), \(OB\), \(OC\) đôi một vuông góc. Gọi \(\alpha \), \(\beta \), \(\gamma \) lần lượt là góc giữa các đường thẳng \(OA\), \(OB\), \(OC\) với mặt phẳng \(\left( {ABC} \right)\) (hình vẽ).
Khi đó giá trị nhỏ nhất của biểu thức \(M = \left( {3 + {{\cot }^2}\alpha } \right).\left( {3 + {{\cot }^2}\beta } \right).\left( {3 + {{\cot }^2}\gamma } \right)\) là
Trả lời bởi giáo viên
Gọi \(H\) là trực tâm tam giác \(ABC\), vì tứ diện \(OABC\) có \(OA\), \(OB\), \(OC\) đôi một vuông góc nên ta có \(OH \bot \left( {ABC} \right)\) và \(\dfrac{1}{{O{H^2}}} = \dfrac{1}{{O{A^2}}} + \dfrac{1}{{O{B^2}}} + \dfrac{1}{{O{C^2}}}\).
Ta có \(\alpha = \widehat {\left( {OA;\left( {ABC} \right)} \right)} = \widehat {OAH}\), \(\beta = \widehat {\left( {OB;\left( {ABC} \right)} \right)} = \widehat {OBH}\), \(\gamma = \widehat {\left( {OC;\left( {ABC} \right)} \right)} = \widehat {OCH}\).
Nên \(\sin \alpha = \dfrac{{OH}}{{OA}}\), \(\sin \beta = \dfrac{{OH}}{{OB}}\), \(\sin \gamma = \dfrac{{OH}}{{OC}}\).
Đặt \(a = OA\), \(b = OB\), \(c = OC\), \(h = OH\) thì \(\dfrac{1}{{{h^2}}} = \dfrac{1}{{{a^2}}} + \dfrac{1}{{{b^2}}} + \dfrac{1}{{{c^2}}}\)và
\(M = \left( {3 + {{\cot }^2}\alpha } \right).\left( {3 + {{\cot }^2}\beta } \right).\left( {3 + {{\cot }^2}\gamma } \right)\)\( = \left( {2 + \dfrac{1}{{{{\sin }^2}\alpha }}} \right).\left( {2 + \dfrac{1}{{{{\sin }^2}\beta }}} \right).\left( {2 + \dfrac{1}{{{{\sin }^2}\gamma }}} \right)\)\( = \left( {2 + \dfrac{{{a^2}}}{{{h^2}}}} \right).\left( {2 + \dfrac{{{b^2}}}{{{h^2}}}} \right).\left( {2 + \dfrac{{{c^2}}}{{{h^2}}}} \right)\)\( = 8 + 4\left( {{a^2} + {b^2} + {c^2}} \right).\dfrac{1}{{{h^2}}} + 2\left( {{a^2}{b^2} + {b^2}{c^2} + {c^2}{a^2}} \right).\dfrac{1}{{{h^4}}} + {a^2}{b^2}{c^2}.\dfrac{1}{{{h^6}}}\).
Ta có: \(\left( {{a^2} + {b^2} + {c^2}} \right).\dfrac{1}{{{h^2}}}\)\( = \left( {{a^2} + {b^2} + {c^2}} \right).\left( {\dfrac{1}{{{a^2}}} + \dfrac{1}{{{b^2}}} + \dfrac{1}{{{c^2}}}} \right)\)\( \ge 3\sqrt[3]{{{a^2}.{b^2}.{c^2}}}.3\sqrt[3]{{\dfrac{1}{{{a^2}}}.\dfrac{1}{{{b^2}}}.\dfrac{1}{{{c^2}}}}} = 9\).
\(\left( {{a^2}{b^2} + {b^2}{c^2} + {c^2}{a^2}} \right).\dfrac{1}{{{h^4}}}\)\( = \left( {{a^2}{b^2} + {b^2}{c^2} + {c^2}{a^2}} \right).{\left( {\dfrac{1}{{{a^2}}} + \dfrac{1}{{{b^2}}} + \dfrac{1}{{{c^2}}}} \right)^2}\)
$ \ge 3\sqrt[3]{{{a^2}{b^2}.{b^2}{c^2}.{c^2}{a^2}}}.{\left( {3\sqrt[3]{{\left( {\dfrac{1}{{{a^2}}}.\dfrac{1}{{{b^2}}}.\dfrac{1}{{{c^2}}}} \right)}}} \right)^2}$$ = 3\sqrt[3]{{{a^4}{b^4}{c^4}}}.9\sqrt[3]{{\dfrac{1}{{{a^4}{b^4}{c^4}}}}} = 27$.
\({a^2}{b^2}{c^2}.\dfrac{1}{{{h^6}}}\)\( = {a^2}{b^2}{c^2}.{\left( {\dfrac{1}{{{a^2}}} + \dfrac{1}{{{b^2}}} + \dfrac{1}{{{c^2}}}} \right)^3} \ge {a^2}{b^2}{c^2}.{\left( {3\sqrt[3]{{\left( {\dfrac{1}{{{a^2}}}.\dfrac{1}{{{b^2}}}.\dfrac{1}{{{c^2}}}} \right)}}} \right)^3} = 27\).
Do đó: \(M = 8 + 4\left( {{a^2} + {b^2} + {c^2}} \right).\dfrac{1}{{{h^2}}} + 2\left( {{a^2}{b^2} + {b^2}{c^2} + {c^2}{a^2}} \right).\dfrac{1}{{{h^4}}} + {a^2}{b^2}{c^2}.\dfrac{1}{{{h^6}}}\)
\( \ge 8 + 4.9 + 2.27 + 27 = 125\).
Dấu đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi \(a = b = c\), hay \(OA = OB = OC\).
Vậy \(\min M = 125\).
Hướng dẫn giải:
- Xác định các góc \(\alpha ,\beta ,\gamma \)
- Biến đổi \(M\) về biểu thức của các cạnh \(OA,OB,OC\)
- Sử dụng bất đẳng thức Cô – si tính giá trị nhỏ nhất của \(M\)