Probleme cu drumul minim

Tema 6 - Soluții

Lucian Maran, MateMaraton, 20-10-2025

Problema 1. În paralelipipedul dreptunghic ABCDABCD,ABCDA'B'C'D', cu diagonala ACAC' de 100100 cm, avem AB=64AB = 64 cm, BC=48BC = 48 cm, AA=60AA' = 60 cm, iar MM este un punct pe muchia BB.BB'.
(2p) a) Arătați că triunghiul ABCA'BC este dreptunghic;
(3p) b) Arătați că valoarea perimetrului triunghiului AMCA'MC nu poate fi mai mică de 227227 cm.

Simulare ISJ Maramureș, nov. 2024, E.799
Soluție:


a) ACA'C și ACAC' sunt diagonale în dreptunghiul ACCAAC=ACAC2=10000.ACC'A' \Rightarrow A'C = AC' \Rightarrow \boxed{A'C^2=10000}.
În triunghiul dreptunghic AAB, AB2=AA2+AB2=602+642,A'AB, ~A'B^2=AA'^2 + AB^2 = 60^2+64^2, deci AB2=7696.\boxed{A'B^2 = 7696}.
BC=48BC2=2304.BC=48 \Rightarrow \boxed{BC^2=2304}.
Deoarece AC2=AB2+BC2R.T.P.ABC dreptunghic.A'C^2=A'B^2+BC^2 \overset{R.T.P.}{\Rightarrow} \boxed{\triangle A'BC \text{ dreptunghic}}.

b) Desfășurăm fețele AABBA'ABB' și BBCCB'BCC' pentru a forma dreptunghiul ACCAACC'A' (fig.2).
Valoarea minimă a perimetrului triunghiului AMCA'MC se obține atunci când suma AM+MCA'M + MC este minimă. Acest lucru se întâmplă atunci când MM se află pe diagonala AC.A'C.
Așadar, AM+MCAC=AA2+AC2=602+1122=42152+42282=41009.A'M + MC \geq A'C = \sqrt{A'A^2+AC^2} = \sqrt{60^2 + 112^2} = \sqrt{4^2\cdot 15^2 + 4^2 \cdot 28^2} = 4\sqrt{1009}.
Vom arăta că 41249+100>227.4\sqrt{1249} + 100 > 227.
421009>12724^2 \cdot 1009 > 127^2
16144>1612916144 > 16129 - adevărat. În concluzie, PAMC>227.\boxed{P_{A'MC} > 227}.

Problema 2. Fie cubul ABCDABCDABCDA'B'C'D' astfel încât suma tuturor muchiilor este egală cu 120120 cm.
2p a) Arătați că aria ABC\triangle{A'BC'} este egală cu 50350\sqrt{3} cm².^².
3p b) Fie S(BB), T(CC)S \in (BB'),~ T \in (CC') şi MM este mijlocul muchiei DD.DD'. Arătați că valoarea minimă a sumei AS+ST+TMAS + ST + TM este mai mare decât 3030 cm.

Simulare ICHB București, oct. 2022, E.800
Soluție:


a) Cubul are 1212 muchii, deci latura cubului este 120:12,120:12, adică AB=10 cm,\boxed{AB=10 \text{ cm}}, iar diagonala unei fețe este AB=102 cm.\boxed{A'B=10\sqrt{2}\text{ cm}}.
ABC\triangle{A'BC} echilateral (AB, BC, CAA'B,~BC', ~C'A diagonale ale cubului) AABC=AB234,\Rightarrow A_{A'BC'} = \dfrac{A'B^2 \sqrt{3}}{4}, adică AABC=503 cm2.\boxed{A_{A'BC'} = 50\sqrt{3} \text{ cm}^2}.

b) Desfășurăm fețele AABB, BBCCA'ABB',~B'BCC' și CCCDDC'CCDD' pentru a forma dreptunghiul ADDAADD'A' (fig.2).
Valoarea minimă a sumei AS+ST+TMAS + ST + TM se obține atunci când punctele SS și TT sunt pe segmentul AM.AM.
Așadar, AS+ST+TMAM=AD2+DM2=5262+52=537.AS + ST + TM \geq AM = \sqrt{AD^2+DM^2} = \sqrt{5^2\cdot6^2+5^2} = 5 \sqrt{37}.
Vom arăta că 537>30.5 \sqrt{37} > 30.
37>6\sqrt{37} > 6
37>3637>36 - adevărat. În concluzie, AS+ST+TM>36.\boxed{AS + ST + TM > 36}.

Problema 3. În figura alăturată este reprezentată o piramidă regulată VABCDVABCD cu baza pătratul ABCD, AB=24ABCD,~ AB=24 cm, VO=47VO = 4\sqrt{7} cm, unde OO este punctul de intersecție a dreptelor ACAC şi BD.BD.
(2p) a) Arată că suma lungimilor muchiilor laterale este egală cu 8080 cm.
(3p) b) Dacă FF este mijlocul segmentului VD,VD, determină poziția punctului EADE \in AD astfel încât suma BE+EFBE+EF să fie minimă.

Simulare CN "Carol I", Craiova, oct. 2023, E.798
Simulare ISJ Buzău, nov. 2024
Soluție:


a) În pătratul ABCD, BD=242BO=122.ABCD,~ BD=24\sqrt{2} \Rightarrow \boxed{BO=12\sqrt{2}}.
În triunghiul dreptunghic VOB, VB2=42322+427=4252VB=20 cm.VOB,~ VB^2=4^2 \cdot 3^2 \cdot 2 + 4^2 \cdot 7 = 4^2 \cdot 5^2 \Rightarrow \boxed{VB=20 \text{ cm}}.

b) Desfășurăm fețele ABCDABCD și VADVAD astfel încât să formeze un singur plan (fig.22).
Distanța BE+EFBE+EF este minimă când EE se află pe segmentul BF.BF.
Construim VMADVM \perp AD și FNADFN \perp AD
În triunghiul dreptunghic VMA,AM=43, VA=45VM=16 cm.VMA, AM=4\cdot 3,~VA=4\cdot 5 \Rightarrow \boxed{VM=16 \text{ cm}}.
În triunghiul dreptunghic VMD,FNVMD, FN este linie mijlocie FN=8 cm.\Rightarrow \boxed{FN=8 \text{ cm}}.
MN=NDND=6AN=18 cm.MN=ND \Rightarrow ND=6 \Rightarrow \boxed{AN=18 \text{ cm}}.

FNABAEBNEFAENE=ABNF.FN \parallel AB\Rightarrow \triangle AEB \sim\triangle NEF \Rightarrow \dfrac{AE}{NE} = \dfrac{AB}{NF}.

AENE+AE=ABNF+ABAE18=2432AE=13.5 cm.\dfrac{AE}{NE+AE} = \dfrac{AB}{NF+AB} \Leftrightarrow \dfrac{AE}{18} = \dfrac{24}{32} \Rightarrow \boxed{AE = 13.5 \text{ cm}}.

Problema 4. În piramida patrulateră regulată VABCDVABCD avem VA=12VA=12 cm și VAB=70°\measuredangle{VAB}=70\degree. Pe muchia VBVB se consideră punctul EE, iar pe muchia VCVC se consideră punctul F.F.
2p a) Calculați măsura unghiului AVB.AVB. \quad
3p b) Să se determine cea mai mică valoare a sumei AE+EF+FD.AE+EF+FD.

Simulare ISJ Maramureș, ian. 2023, E.801
Soluție:


a) În triunghiul isoscel VAB, AVB^=180°270°,VAB, ~\widehat{AVB}=180\degree-2 \cdot 70\degree, deci AVB^=40°.\boxed{\widehat{AVB}=40\degree}.

b) Desfășurăm fețele AVB, BVCAVB,~BVC și CVDCVD astfel încât să formeze un singur plan (fig.22).
Distanța AE+EF+FDAE+EF+FD este minimă când punctele A,E,FA,E,F și DD sunt coliniare.

În triunghiul isoscel AVDAVD avem AVD^=340°=120°D^=30°.\widehat{AVD}=3 \cdot 40\degree = 120\degree \Rightarrow \boxed{\widehat{D}=30\degree}.
Construim VMVM ca înalțime și mediană în triunghiul isoscel AVD.AVD.
În triunghiul VDM, cos30°=DM12DM=63AD=123.VDM,~ \cos30\degree = \dfrac{DM}{12} \Rightarrow DM=6\sqrt{3} \Rightarrow \boxed{AD=12\sqrt{3}}.

Problema 5. Fie piramida regulată VABC,VABC, cu vârful V,V, și punctul MM pe muchia BC,BC, astfel încât suma VM+MAVM+MA să fie minimă. Dacă AVM=90°,\measuredangle{AVM}=90\degree, arătați că AVB=BVC=CVA=90°.\measuredangle{AVB} = \measuredangle{BVC} = \measuredangle{CVA} = 90\degree.

Art, 29/107, ****, E.519
Soluție:


Notăm VA=VB=VC=mVA=VB=VC=m și AB=BC=CA=e.AB=BC=CA=e.
Desfășurăm fețele VBCVBC și BCABCA astfel încât să formeze un singur plan (fig.22).
Distanța VM+MAVM+MA este minimă când MM se află pe segmentul VA.VA.
BVACVA\triangle BVA \equiv \triangle CVA (L.L.L) BVA^CVA^VM\Rightarrow \widehat{BVA} \equiv \widehat{CVA} \Rightarrow VM bisectoare în triunghiul isoscel BVCBM=MC.BVC \Rightarrow \boxed{BM=MC}.

În triunghiul dreptunghic VMB, VM2=m2e24.VMB,~ \boxed{VM^2=m^2-\dfrac{e^2}{4}}.
AMAM este înălțime în triunghiul echilateral ABCAM2=3e24.ABC \Rightarrow \boxed{AM^2=\dfrac{3e^2}{4}}.

În triunghiul dreptunghic AVM (fig.1),AM2=AV2+VM2AVM \text{ (fig.1)}, AM^2=AV^2+VM^2
3e24=m2+(m2e24).\dfrac{3e^2}{4}=m^2 + (m^2-\dfrac{e^2}{4}).
3e2=8m2e2e2=2m2.3e^2=8m^2-e^2 \Rightarrow \boxed{e^2=2m^2}.
În toate cele trei triunghiuri laterale avem relația m2+m2=e2,m^2+m^2=e^2, deci triunghiurile sunt dreptunghice în V.V.