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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 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 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。

面積を聞かれたら

が現れる。2 倍角で にまとめる

周や長さを聞かれたら

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。

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。

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 なら 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。

__RESULT__

頂点を とすると辺は で、面積は です。最大は で、 の正方形のとき。半径が 倍になると面積は 倍になります。

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。

__RESULT__

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。

半径 $1$ の円に内接する長方形で面積が最大になるのは正方形、そのとき面積は $2$ です。頂点を $(\cos\theta,\ \sin\theta)$ に置けば辺は $2\cos\theta$ と $2\sin\theta$ で、面積は $2\sin 2\theta$ の 1 行になる。長さを変数にとると根号が残り、2 乗して置きかえる手間が増えます。同じ図形でも周を聞かれれば和が現れるため、そこは合成を使う。半円のときに正方形にならない理由、周が一定の扇形で中心角が $2$ ラジアンになる型、面積を指定すると角が 2 つ求まる話まで。