如图,正方体 ABCD−EFGH 的棱长为 2,在正方形 ABFE 的内切圆上任取一点 P1,在正方形 BCGF 的内切圆上任取一点 P2,在正方形 EFGH 的内切圆上任取一点 P3.求 |P1P2|+|P2P3|+|P3P1| 的最小值与最大值.
答案 最小值为 3√2−3,最大值为 3√6.
解析 设 P1(1,cosx,sinx),P2(siny,1,cosy),P3(cosz,sinz,1),题中代数式为 d,则d=∑cyc√(1−siny)2+(cosx−1)2+(sinx−cosy)2⩾∑cyc√(1−siny)2+(1−cosx)2⩾1√2∑cyc(2−siny−cosx)=3√2−1√2∑cyc(sinx+cosx)=3√2−∑cycsin(x+π4)⩾3√2−3,
等号当 x=y=z=π4 时取得,因此所求最小值为 3√2−3. 另一方面,有d=∑cyc√(1−siny)2+(cosx−1)2+(sinx−cosy)2=∑cyc√4−2siny−2cosx−2sinxcosy⩽√3⋅√∑cyc(4−2siny−2cosx−2sinxcosy)=√3⋅√18−2∑cyc(1+siny)(1+cosx)⩽√3⋅√18=3√6,
等号当 x=y=z=π 时取得,因此所求最大值为 3√6.
综上所述,|P1P2|+|P2P3|+|P3P1| 的最小值为 3√2−3,最大值为 3√6.