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).
Phương pháp 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 \(M\)
Lời giải của Tự Học 365

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 \(\min M = 125\).
Đáp án cần chọn là: d
Toán Lớp 12