円に内接する長方形の面積を角の式で最大にする
半径 の円に内接する長方形のうち、面積が最大になるのは正方形です。そのとき面積は 。
頂点を に置くと、面積は の 1 行になります。 の最大が だから、面積の最大は 。
から と、形まで決まる。
角を変数にとる
円の中心を原点に置きます。長方形は中心について対称だから、頂点の 1 つを とすれば足りる。
とします。残りの 3 頂点は、符号を変えた位置に決まる。
横の辺は から までで、長さは 。縦の辺は になる。
2 倍角がここで効きました。積の形のままでは最大値を読めませんが、 なら読める。
より で、この範囲に が入っています。
を実現できるため、最大値は 。 なら辺は と で、正方形になる。
長さを変数にとるとどうなるか
横の辺の半分を 、縦の辺の半分を とします。頂点が単位円の上にあるため 。
面積は で、 を入れると根号が残る。
このままでは扱いにくいので、2 乗します。。
と置くと で、 についての 2 次関数です。
のとき が最大で、。 になる。
同じ答えにたどり着きますが、置きかえを 2 回はさみました。角を変数にとれば の 1 行で済む。
周の長さを最大にする
同じ長方形で、今度は周の長さを考えます。
周は 。 と が 1 次で混ざっています。ここで合成を使う。
より 。 はこの中にあります。
最大は 、およそ で、 のとき。ここでも正方形になる。
面積のときは 2 倍角、周のときは合成。同じ図形でも、聞かれる量で使う道具が変わる。
積 が現れる。2 倍角で にまとめる
和 が現れる。合成で にまとめる
半円に内接する長方形
半径 の半円で、底辺が直径の上に乗る長方形を考えます。
上の 2 頂点を とすると、幅は 、高さは 。

最大は で、やはり のとき。ただし形は正方形になりません。
幅は 、高さは で、横長の長方形になる。
角の値が同じでも、行き着く形は問題ごとに違う。
扇形で周が一定のとき
長さ のひもで扇形を作ります。半径を 、中心角を ラジアンとする。
周は 2 本の半径と弧で、 になる。

面積は 。 を消すため、周の式から 。
の 2 次関数になりました。頂点は で、最大値は 。
このとき です。中心角は ラジアン、およそ になる。
弧度法を使うと、この問題は 三角関数を 1 つも使わずに 解けます。
と がどちらもかけ算だけだからです。度で書くと が入り、式が重くなります。
例:面積を指定された値にする
同じ長方形で、面積が になる角を求めます。
から 。 の範囲で解く。
と の 2 つ。最大のときと違い、答えが 1 つに決まりません。
なら辺は と 。 なら と で、縦横が入れかわるだけです。
同じ長方形を 回した形で、図形としては 1 つ。角の答えが 2 つになるのは、置き方を 2 通り数えているからです。
式を読める形に直す
角を 1 つ選んで変数にする。求めたい量をその角で書く。そこから先は、式の形で分かれます。
積の形なら 2 倍角、和の形なら合成、 だけの式になれば置きかえて 2 次関数。
角を変数にとる
求めたい量をその角で書く
2 倍角か合成か置きかえで、最大最小の読める形にする
そのときの図形の形まで答える
半径 の円に内接する長方形の面積の最大値はどれですか。
半径 の半円に内接する長方形の面積の最大値はどれですか。
上の 2 頂点を とすると幅 、高さ で、面積は です。最大は になります。円のときの と比べて、ちょうど半分です。
角を変数にとり、2 倍角か合成でまとめる。円が絡む最大最小は、この 2 手で見通せます。












頂点を (2cosθ, 2sinθ) とすると辺は 4cosθ と 4sinθ で、面積は 16sinθcosθ=8sin2θ です。最大は 8 で、θ=4π の正方形のとき。半径が 2 倍になると面積は 4 倍になります。