📌 Đề bài:
Một người đứng trên mặt đất quan sát một tấm biển quảng cáo cao $3\text{ m}$ được gắn thẳng đứng trên tường của một tòa nhà. Giả sử đường nhìn ngang từ mắt người quan sát vuông góc với bức tường, mép dưới của tấm biển nằm cao hơn tầm mắt $2\text{ m}$ và mép trên của tấm biển nằm cao hơn tầm mắt $5\text{ m}$. Hỏi người đó phải đứng cách bức tường một khoảng cách $x$ bằng bao nhiêu mét để góc nhìn tấm biển quảng cáo (góc tạo bởi hai tia ngắm từ mắt đến mép trên và mép dưới của tấm biển) đạt giá trị lớn nhất?
📚 Phương pháp giải & Lý thuyết trọng tâm
Để tối ưu hóa góc nhìn trong bài toán thực tế (bài toán cực trị hình học – lượng giác cổ điển Regiomontanus), ta thực hiện các bước:
- Mô hình hóa hình học: Đặt $O$ là vị trí mắt của người quan sát, $A$ và $B$ lần lượt là mép dưới và mép trên của tấm biển. Kẻ đoạn $OH \perp AB$ kéo dài với $H$ nằm trên tường (đường tầm mắt ngang), độ dài $OH = x$ ($x > 0$).
- Biểu diễn các góc ngắm $\widehat{HOB} = \alpha$, $\widehat{HOA} = \beta$ theo khoảng cách $x$ dựa vào tỉ số lượng giác của tam giác vuông: $\tan \alpha = \frac{HB}{x}$, $\tan \beta = \frac{HA}{x}$.
- Góc nhìn tấm biển là $\theta = \widehat{AOB} = \alpha – \beta$. Áp dụng công thức cộng cho tang: $$\tan \theta = \tan(\alpha – \beta) = \frac{\tan \alpha – \tan \beta}{1 + \tan \alpha \tan \beta}$$
- Do $\theta \in \left(0; \frac{\pi}{2}\right)$, góc $\theta$ đạt giá trị lớn nhất khi và chỉ khi $\tan \theta$ đạt giá trị lớn nhất. Dùng bất đẳng thức AM-GM (Cauchy) để tìm giá trị cực trị của $x$. Tương tự như các kỹ thuật rút gọn biểu thức lượng giác, việc biến đổi linh hoạt sẽ giúp bài toán trở nên vô cùng đơn giản.
💡 LỜI GIẢI CHI TIẾT & CÁCH GIẢI TỪNG BƯỚC (Nhấn để mở)
Bước 1: Mô hình hóa các đại lượng hình học theo biến $x$
Gọi $O$ là vị trí đặt mắt của người quan sát.
Gọi $A, B$ lần lượt là điểm mép dưới và mép trên của tấm biển quảng cáo ($AB = 3\text{ m}$).
Gọi $H$ là hình chiếu vuông góc của $O$ lên đường thẳng chứa bức tường. Khi đó, khoảng cách từ người đến bức tường là $OH = x$ ($x > 0$).
Theo đề bài ta có:
- Khoảng cách từ mép dưới đến đường ngang tầm mắt là $HA = 2\text{ m}$.
- Khoảng cách từ mép trên đến đường ngang tầm mắt là $HB = HA + AB = 2 + 3 = 5\text{ m}$.
Bước 2: Biểu diễn góc nhìn $\theta = \widehat{AOB}$ theo lượng giác
Xét các tam giác vuông $\Delta OHA$ và $\Delta OHB$ vuông tại $H$:
- Đặt $\beta = \widehat{HOA} \Rightarrow \tan \beta = \frac{HA}{OH} = \frac{2}{x}$.
- Đặt $\alpha = \widehat{HOB} \Rightarrow \tan \alpha = \frac{HB}{OH} = \frac{5}{x}$.
Góc nhìn tấm biển quảng cáo là $\theta = \widehat{AOB} = \alpha – \beta$.
Bước 3: Áp dụng công thức cộng lượng giác
Ta có công thức tang của một hiệu:
$$\tan \theta = \tan(\alpha – \beta) = \frac{\tan \alpha – \tan \beta}{1 + \tan \alpha \cdot \tan \beta}$$
Thay các giá trị $\tan \alpha$ và $\tan \beta$ vào biểu thức:
$$\tan \theta = \frac{\frac{5}{x} – \frac{2}{x}}{1 + \frac{5}{x} \cdot \frac{2}{x}} = \frac{\frac{3}{x}}{1 + \frac{10}{x^2}} = \frac{3x}{x^2 + 10} = \frac{3}{x + \frac{10}{x}}$$
Bước 4: Tìm giá trị lớn nhất bằng Bất đẳng thức AM-GM (Cauchy)
Vì $x > 0$, áp dụng bất đẳng thức AM-GM cho hai số dương $x$ và $\frac{10}{x}$:
$$x + \frac{10}{x} \ge 2\sqrt{x \cdot \frac{10}{x}} = 2\sqrt{10}$$
Suy ra:
$$\tan \theta = \frac{3}{x + \frac{10}{x}} \le \frac{3}{2\sqrt{10}} = \frac{3\sqrt{10}}{20}$$
Vì hàm số $y = \tan \theta$ đồng biến trên khoảng $\left(0; \frac{\pi}{2}\right)$, nên góc nhìn $\theta$ lớn nhất khi và chỉ khi $\tan \theta$ đạt giá trị lớn nhất.
Đẳng thức xảy ra khi và chỉ khi:
$$x = \frac{10}{x} \iff x^2 = 10 \iff x = \sqrt{10} \approx 3{,}16\text{ (m)}$$
👉 Kết luận / Đáp án: Người đó phải đứng cách bức tường một khoảng $x = \sqrt{10}\text{ m} \approx 3{,}16\text{ m}$. Chọn đáp án B.
✍️ 5 Bài tập tương tự tự luyện (Có lời giải chi tiết)
Bài tập 1: Một bức tranh nghệ thuật có chiều cao $3\text{ m}$ được treo trên tường phòng triển lãm. Mép dưới của bức tranh cách tầm mắt người xem là $1\text{ m}$ và mép trên cách tầm mắt $4\text{ m}$. Hỏi người xem tranh nên đứng cách tường bao nhiêu mét để quan sát bức tranh dưới một góc nhìn lớn nhất?
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 1
Góc nhìn $\theta = \alpha – \beta \Rightarrow \tan \theta = \frac{\frac{4}{x} – \frac{1}{x}}{1 + \frac{4}{x^2}} = \frac{3x}{x^2 + 4} = \frac{3}{x + \frac{4}{x}}$.
Áp dụng BĐT AM-GM: $x + \frac{4}{x} \ge 2\sqrt{4} = 4$. Dấu “=” xảy ra khi $x = \frac{4}{x} \iff x = 2\text{ m}$.
Đáp số: $x = 2\text{ m}$.
Bài tập 2: Một tấm áp phích cổ động cao $9\text{ m}$ được căng trên một tòa nhà. Mép dưới áp phích cách tầm mắt người đứng quan sát $3\text{ m}$ và mép trên cách tầm mắt $12\text{ m}$. Tìm khoảng cách từ người quan sát đến tòa nhà để góc nhìn áp phích là cực đại.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 2
$$\tan \theta = \frac{\frac{12}{x} – \frac{3}{x}}{1 + \frac{36}{x^2}} = \frac{9x}{x^2 + 36} = \frac{9}{x + \frac{36}{x}}$$
Theo BĐT Cauchy: $x + \frac{36}{x} \ge 2\sqrt{36} = 12$. Đẳng thức xảy ra khi $x = 6\text{ m}$.
Đáp số: $x = 6\text{ m}$.
Bài tập 3: Một ngọn hải đăng trên đảo có hai tầng phát tín hiệu sáng: đèn thứ nhất ở độ cao $8\text{ m}$ và đèn thứ hai ở độ cao $18\text{ m}$ so với mặt nước biển. Một hoa tiêu trên tàu có tầm mắt gần sát mặt nước biển. Hỏi tàu cách chân hải đăng bao xa để góc nhìn giữa hai ngọn đèn là lớn nhất?
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 3
Ta có $\tan \alpha = \frac{18}{x}$ và $\tan \beta = \frac{8}{x}$.
$$\tan \theta = \frac{\frac{18}{x} – \frac{8}{x}}{1 + \frac{144}{x^2}} = \frac{10}{x + \frac{144}{x}}$$
Áp dụng BĐT AM-GM cho mẫu số: $x + \frac{144}{x} \ge 2\sqrt{144} = 24$, dấu “=” khi $x^2 = 144 \Rightarrow x = 12\text{ m}$.
Đáp số: $x = 12\text{ m}$.
Bài tập 4: Một khung tranh có chiều cao $1{,}8\text{ m}$ được treo sao cho mép dưới cách mặt sàn $2{,}7\text{ m}$. Một người xem tranh có mắt cách mặt sàn $1{,}5\text{ m}$. Tính khoảng cách từ vị trí người đó đứng đến bức tường để góc trông khung tranh đạt giá trị lớn nhất.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 4
Độ cao mép trên so với mắt: $h_2 = 1{,}2 + 1{,}8 = 3{,}0\text{ m}$.
Khoảng cách tối ưu để góc trông lớn nhất là $x = \sqrt{h_1 \cdot h_2} = \sqrt{1{,}2 \times 3{,}0} = \sqrt{3{,}6} = \frac{3\sqrt{10}}{5} \approx 1{,}90\text{ m}$.
Đáp số: $x = \sqrt{3{,}6}\text{ m} \approx 1{,}90\text{ m}$.
Bài tập 5: Một bức tượng cao $4\text{ m}$ được đặt trên bệ đỡ cao $5\text{ m}$. Một người quan sát có tầm mắt cao $1\text{ m}$ so với mặt đất. Tìm khoảng cách từ người quan sát đến chân bệ đỡ sao cho góc nhìn bức tượng đạt giá trị lớn nhất.
💡 Xem đáp án & Lời giải Bài tập 5
Độ cao đỉnh tượng so với tầm mắt: $h_2 = 4 + 4 = 8\text{ m}$.
Góc nhìn lớn nhất khi khoảng cách $x = \sqrt{h_1 \cdot h_2} = \sqrt{4 \times 8} = \sqrt{32} = 4\sqrt{2}\text{ m} \approx 5{,}66\text{ m}$.
Đáp số: $x = 4\sqrt{2}\text{ m}$.

Để lại phản hồi