Cho hình hộp chữ nhật có diện tích toàn phần bằng 36, độ dài đường chéo bằng 6. Tìm giá trị lớn nhất của thể tích khối hộp đó

* Hướng dẫn giải

Đáp án: \(8\sqrt 2 \)

Phương pháp giải:

- Gọi số đo của hình hộp chữ nhật là \(a,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} b,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} c\). Diện tích toàn phần hình hộp chữ nhật là \({S_{tp}} = 2\left( {ab + bc + ca} \right)\) và thể tích khối hộp chữ nhật là \(V = abc\).

- Sử dụng hằng đẳng thức biểu diễn \(a + c\) theo \(b\).

- Tính thể tích theo biến \(b\), sử dụng phương pháp hàm số để tìm GTLN của hàm số.

Giải chi tiết:

Gọi số đo của hình hộp chữ nhật là \(a,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} b,{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} c\).

Khi đó ta có \({S_{tp}} = 2\left( {ab + bc + ca} \right) = 36\) và độ dài đường chéo bằng 6 nên \({a^2} + {b^2} + {c^2} = 36\).

\( \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{a^2} + {b^2} + {c^2} = 36}\\{ab + bc + ca = 18}\end{array}} \right. \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{{{\left( {a + b + c} \right)}^2} = 72}\\{ab + bc + ca = 18}\end{array}} \right. \Rightarrow \left\{ {\begin{array}{*{20}{l}}{a + b + c = 6\sqrt 2 }\\{b\left( {a + c} \right) + ac = 18}\end{array}} \right.\)

Khi đó $V=abc=b[18-b(a+c)]$

$=b[18-b(6\sqrt{2}\mathrm{ }-b)]$

\( = b\left[ {18 - 6\sqrt 2 b + {b^2}} \right]\)

\( = {b^3} - 6\sqrt 2 {b^2} + 18b = f\left( b \right)\)

Ta có: $\left\{\begin{array}{l}a+c=6\sqrt{2}\mathrm{ }-b\\ b(6\sqrt{2}\mathrm{ }-b)+ac=18\end{array}\right.\iff \left\{\begin{array}{l}a+c=6\sqrt{2}\mathrm{ }-b\\ ac=18+b^2-6\sqrt{2}b\end{array}\right.$

Để tồn tại $a,c$ thì $S^2\ge 4P\iff {(6\sqrt{2}\mathrm{ }-b)}^2\ge 4(18+b^2-6\sqrt{2}b)$

\( \Leftrightarrow {b^2} - 12\sqrt 2 b + 72 \ge 72 + 4{b^2} - 24\sqrt 2 b\)

\( \Leftrightarrow 3{b^2} - 12\sqrt 2 b \le 0\)

\( \Leftrightarrow 0 \le b \le 4\sqrt 2 \)

Xét hàm số \(f\left( b \right) = {b^3} - 6\sqrt 2 {b^2} + 18b{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} \left( {0 < b \le 4\sqrt 2 } \right)\) ta có: \(f'\left( b \right) = 3{b^2} - 12\sqrt 2 b + 18 = 0 \Rightarrow \left[ {\begin{array}{*{20}{l}}{b = 3\sqrt 2 }\\{b = \sqrt 2 }\end{array}} \right.{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} \left( {tm} \right)\)

\(f\left( {3\sqrt 2 } \right) = 0;{\mkern 1mu} {\mkern 1mu} f\left( {\sqrt 2 } \right) = 8\sqrt 2 \)

Ta có BBT:

Từ BBT \[ \Rightarrow \mathop {max}\limits_{\left[ {0;4\sqrt 2 } \right]} f\left( b \right) = 8\sqrt 2 \].

Vậy $V_{\max }=8\sqrt{2}\iff b=\sqrt{2}$.