Trong mùa mưa lũ, nước ở trên thượng nguồn đổ dồn về hạ lưu rất mạnh nên thường làm lệch quỹ đạo chuyển động của tàu, thuyền trên sông. Giả sử trong một hệ trục tọa độ \(Oxy\) cho trước, một chiếc thuyền đang ở tại điểm \(A\left( {4;\frac{5}{3}} \right)\) và chuyển động về phía gốc tọa độ \(O\). Do dòng chảy mạnh nên thuyền di chuyển trên cung đường \(AB\) là một phần của đồ thị hàm số \(y = \frac{{ax + b}}{{cx + d}}\) như hình vẽ, với \(B( - 1;0)\). Gọi \(M\) là một điểm bất kỳ nằm trên cung đường di chuyển của chiếc thuyền. Khoảng cách từ \(M\) đến \(O\) ngắn nhất bằng bao nhiêu? (làm tròn kết quả đến hàng phần trăm)

Đáp án: 0,83.

Gọi hàm số biểu diễn quỹ đạo chuyển động của thuyền là \(y = f(x) = \frac{{ax + b}}{{cx + d}}\).
Theo đề bài, cung đường \(AB\) là một phần của đồ thị hàm số này.
Điểm \(B( - 1;0)\) nằm trên đồ thị, nên: \(0 = \frac{{a( - 1) + b}}{{c( - 1) + d}} \Leftrightarrow  - a + b = 0 \Leftrightarrow b = a\quad (1)\)
Điểm \(A\left( {4;\frac{5}{3}} \right)\) nằm trên đồ thị, nên: \(\frac{5}{3} = \frac{{a(4) + b}}{{c(4) + d}}\quad (2)\)
Từ \((1)\), thay \(b = a\) vào \((2)\):\(\frac{5}{3} = \frac{{4a + a}}{{4c + d}} = \frac{{5a}}{{4c + d}}\)\( \Leftrightarrow 5(4c + d) = 15a\)\( \Leftrightarrow 4c + d = 3a\quad (3)\)
Quan sát đồ thị, ta thấy đường cong đi qua điểm \((0;1)\) (điểm giao với trục \(Oy\)). Giả sử điểm \((0;1)\) nằm trên đồ thị, khi đó: \(1 = \frac{{a(0) + b}}{{c(0) + d}} \Leftrightarrow 1 = \frac{b}{d} \Leftrightarrow b = d\quad (4)\)
Từ \((1)\) và \((4)\), ta có \(a = b = d\).
Thay \(d = a\) vào \((3)\): \(4c + a = 3a\)\( \Leftrightarrow 4c = 2a\)\( \Leftrightarrow a = 2c\quad (5)\)
Để đơn giản, ta chọn \(c = 1\), từ \((5)\) suy ra \(a = 2\).
Khi đó \(b = a = 2\) và \(d = a = 2\). Vậy hàm số có dạng \(y = \frac{{2x + 2}}{{x + 2}}\).
Kiểm tra lại với các điểm đã cho:
Với \(B( - 1;0)\): \(y = \frac{{2( - 1) + 2}}{{ - 1 + 2}} = \frac{0}{1} = 0\). (Thỏa mãn)
Với \(A\left( {4;\frac{5}{3}} \right)\): \(y = \frac{{2(4) + 2}}{{4 + 2}} = \frac{{8 + 2}}{6} = \frac{{10}}{6} = \frac{5}{3}\). (Thỏa mãn)
Gọi \(M(x;y)\) là một điểm trên cung đường \(AB\). Khoảng cách từ \(M\) đến gốc tọa độ \(O(0;0)\) là \(OM = \sqrt {{{(x - 0)}^2} + {{(y - 0)}^2}}  = \sqrt {{x^2} + {y^2}} \).
Để \(OM\) ngắn nhất, ta cần tìm giá trị nhỏ nhất của \(O{M^2} = S(x) = {x^2} + {y^2}\) với \(x \in [ - 1;4]\).
Thay \(y = \frac{{2x + 2}}{{x + 2}}\) vào \(S(x)\)ta được: \(S(x) = {x^2} + {\left( {\frac{{2x + 2}}{{x + 2}}} \right)^2}\).
Ta có: \(S'(x) = 2x + 2\left( {\frac{{2x + 2}}{{x + 2}}} \right) \cdot \left( {\frac{2}{{{{(x + 2)}^2}}}} \right) = 2x + \frac{{4(2x + 2)}}{{{{(x + 2)}^3}}} = 2x + \frac{{8x + 8}}{{{{(x + 2)}^3}}}\)
\(S'(x) = 0\)\( \Leftrightarrow 2x + \frac{{8x + 8}}{{{{(x + 2)}^3}}} = 0\)\( \Leftrightarrow {x^4} + 6{x^3} + 12{x^2} + 12x + 4 = 0\).
Trên đoạn \([ - 1;4]\), ta tìm được nghiệm thực của phương trình \({x^4} + 6{x^3} + 12{x^2} + 12x + 4 = 0\) là \({x_0} \approx  - 0,5826\).
Tại \(x =  - 1\) (điểm \(B\)): \(O{M^2} = {( - 1)^2} + {0^2} = 1\) \( \Rightarrow OM = 1\).
Tại \(x = 4\) (điểm \(A\)): \(O{M^2} = {4^2} + {\left( {\frac{5}{3}} \right)^2} = 16 + \frac{{25}}{9} = \frac{{144 + 25}}{9} = \frac{{169}}{9}\)\( \Rightarrow OM = \sqrt {\frac{{169}}{9}}  = \frac{{13}}{3} \approx 4,333\).
Tại \({x_0} \approx  - 0.5826\), ta có: \({y_0} = \frac{{2{x_0} + 2}}{{{x_0} + 2}} = \frac{{2 \cdot \left( { - 0,5826} \right) + 2}}{{ - 0,5826 + 2}} = \frac{{ - 1,1652 + 2}}{{1,4174}} = \frac{{0,8348}}{{1,4174}} \approx 0,58896\).
\(OM = \sqrt {x_0^2 + y_0^2}  = \sqrt {{{\left( { - 0,5826} \right)}^2} + {{\left( {0,58896} \right)}^2}} \)
\(OM = \sqrt {0,33942076 + 0,34687392}  = \sqrt {0,68629468}  \approx 0,82842\).
So sánh các giá trị \(OM\) tìm được giá trị nhỏ nhất là \(0,82842\).
Làm tròn kết quả đến hàng phần trăm, ta được \(0,83\).