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