Cho hình lập phương ABCD.A'B'C'D' cạnh a. Lấy hai điểm M và N theo thứ tự di động trên

Cho hình lập phương \(ABCD.A'B'C'D'\) cạnh \(a\). Lấy hai điểm \(M\) và \(N\) theo thứ tự di động trên \(AC\) và \(A'B\) sao cho \(AM = A'N = t\,\,\left( {0 \le t \le a\sqrt 2 } \right)\). Giá trị nhỏ nhất của \(MN\) bằng \(\frac{a}{{\sqrt 2 }}\), khi đo góc  (MN, AC) bằng 60o.

Giải thích

Kẻ \(MJ \bot AB\) suy ra \(AJ = \frac{t}{{\sqrt 2 }}\). Kẻ \(JI \bot A'B'\). Dễ thấy \(J,N,I\) thẳng hàng.

Ta có:

\(M{N^2} = M{J^2} + J{N^2} = \frac{{{t^2}}}{2} + {\left( {a - \frac{t}{{\sqrt 2 }}} \right)^2} = {t^2} - a\sqrt 2 t + {a^2} = {\left( {t - \frac{a}{{\sqrt 2 }}} \right)^2} + \frac{{{a^2}}}{2} \ge \frac{{{a^2}}}{2}\)

Suy ra \(MN \ge \frac{a}{{\sqrt 2 }}\). Dấu "=" xảy ra khi \(t = \frac{a}{{\sqrt 2 }}\). Khi đó \({M_s}N\) lần lượt là trung điểm của \(AC\) và \(A'B\).

Vộy giá trị nhỏ nhất của \(MN\) là \(\frac{a}{{\sqrt 2 }}\).

Dễ thấy khi đó \(MN//B'C\left( {//A'D} \right)\) nên \(\left( {MN,AC} \right) = \left( {B'C,AC} \right) = \widehat {B'CA}\).

Mà ta có tam giác \(AB'C\) đều nên \(\widehat {B'CA} = {60^ \circ }\).

Do đó \(\left( {MN,AC} \right) = {60^ \circ }\).