Trong không gian $Oxyz$, cho hai điểm $A(-1 ; 0 ; 0)$ và $B(2 ; 3 ; 4)$. Gọi $(P)$ là mặt phẳng chứa đường tròn giao tuyến của hai mặt cầu $\left(S_{1}\right):(x-1)^{2}+(y+1)^{2}+z^{2}=4$ và $\left(S_{2}\right): x^{2}+y^{2}+z^{2}+2 y-2=0$. Xét $M, N$ là hai điểm bất kỳ thuộc mặt phẳng $(P)$ sao cho $M N=1$. Giả trị nhỏ nhất của $A M+B N$ bằng
Trả lời bởi giáo viên
Ta có:
$\left\{\begin{array}{l}(x-1)^{2}+(y+1)^{2}+z^{2}=4 \\ x^{2}+y^{2}+z^{2}+2 y-2=0\end{array} \Leftrightarrow\left\{\begin{array}{l}x^{2}+y^{2}+z^{2}-2 x+2 y-2=0 \\ x^{2}+y^{2}+z^{2}+2 y-2=0\end{array} \Rightarrow x=0\right.\right.$
Vậy $(P): x=0((P)$ là mặt phẳng $(O y z))$.
Gọi $C(0 ; 0 ; 0)$ và $D(0 ; 3 ; 4)$ lần lượt là hình chiếu vuông góc của $A(-1 ; 0 ; 0)$, $B(2 ; 3 ; 4)$ lên mặt phẳng $(P)$. Suy ra $A C=1, B D=2, C D=5$.
Áp đụng bất đẳng thức $\sqrt{a^{2}+b^{2}}+\sqrt{c^{2}+d^{2}} \geq \sqrt{(a+c)^{2}+(b+d)^{2}}$, ta được:
$AM+BN =\sqrt{A C^{2}+C M^{2}}+\sqrt{B D^{2}+D N^{2}} \\\geq \sqrt{(A C+B D)^{2}+(C M+D N)^{2}} \\\geq \sqrt{9+(C M+D N)^{2}}$
Mặt khác, $C M+M N+N D \geq C D=5$ suy ra $C M+N D \geq 4$. Do đó $A M+B N \geq 5$.
Dấu “=” xảy ra khi $C, M, N, D$ thẳng hàng theo thứ tự đó và $\frac{A C}{C M}=\frac{B D}{D N}$, tức là $M\left(0 ; \frac{4}{5} ; \frac{16}{15}\right)$ và $N\left(0 ; \frac{7}{5} ; \frac{28}{15}\right)$.
Vậy giá trị nhỏ nhất của $A M+B N$ là 5.
Hướng dẫn giải:
- Tìm mặt phẳng giao tuyến của $\left(S_{1}\right)$ và $\left(S_{2}\right)$
- Gọi $C$ và $D$ lần lượt là hình chiếu vuông góc của $A$, $B$ lên mặt phẳng $(P)$. Tìm C, D.
- Áp đụng bất đẳng thức $\sqrt{a^{2}+b^{2}}+\sqrt{c^{2}+d^{2}} \geq \sqrt{(a+c)^{2}+(b+d)^{2}}$ với $a=AC,b=CM,c=BD,d=DN$.
- Tìm điều kiện để dấu “=” xảy ra