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若互不相等的单位空间向量 OPi→ (i=1,2,3,4) 满足 |P1P2→|=|P2P3→|=|P3P4→|=|P4P1→|=1, 则 |P1P3→|2+|P2P4→|2 的取值范围为_____.

解

如图, 取 P1P3 中点 M. 整个图形关于平面 P1OP3 和平面 OP2P4 对称. 设 ∠P1OM=θ, ∠P2MO=α. 则在 ΔOP2M 中由余弦定理 cos⁡α=2cos2⁡θ−12cos2⁡θ≥0⇒cos2⁡θ≥12, 另一方面 cos2⁡θ<1 (这里不能取等, 否则 P1,P3 会重合). 这样 |P1P3→|2+|P2P4→|2=(2sin⁡θ)2+(2cos⁡θsin⁡α)2=4sin2⁡θ+4cos2⁡θ(1−cos2⁡α)=8−(1cos2⁡θ+4cos2⁡θ)∈(3,4].
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