絵はどこから見るといちばん大きく見えるか〜見込む角の最大
壁に絵が掛かっています。下端が目の高さより メートル上、上端が メートル上。
どこに立つと、絵がいちばん大きく見えるでしょうか。
近づけば絵は大きく見えますが、真下では見上げる角が狭くなります。離れすぎても小さい。
答えは壁から メートル。 で、2 つの高さの相乗平均です。
三角関数と相加相乗だけで出せます。
見込む角を式にする
壁からの距離を 、下端の高さを 、上端の高さを とします。。
目の位置から上端を見上げる角を 、下端を見上げる角を とすると、絵を見込む角は 。
、 です。どちらも直角三角形から読めます。
を直接扱うのは大変なので、 を考えます。 は鋭角なので、 が最大になる位置で も最大になる[1]。
tan の加法定理の引き算の形を当てます。
分母分子に を掛けて整理します。
分子は定数です。動くのは分母だけになりました。
分母を最小にする
を最大にするには、分母 を最小にします。
、 なので、相加平均と相乗平均の関係が使えます。
等号が成り立つのは 、つまり のとき。 です。
、 なら 、。 です。
2 つの高さの相乗平均。それが最適な距離になります。
図で見ると円が現れる
計算しなくても、図だけで答えが出る道があります[2]。
絵の上端と下端を通る円を考えます。そういう円は無数にありますが、目の高さの線に接するものが 1 つだけあります。
その接点が最適な位置です。
理由は円周角の定理にあります。円周上の点から弦を見込む角は、どこでも同じ大きさ。
接点より前や後ろに立つと、その点は円の外に出ます。円の外から弦を見込む角は、円周上から見るより小さくなる。
だから接点にいるときが最大です。接する円は 1 つしかないので、最適な位置も 1 つに決まります。
接点までの距離は、方べきの定理から出ます。 となり、計算の道と同じ答えになりました。
tan の加法定理で を書き、分母に相加相乗を当てる。値まで出る
上端と下端を通り、目の高さの線に接する円を描く。接点が答え。方べきの定理で距離が出る
相加相乗が効く形
という形が出たら、相加相乗の合図です。
2 つの項を掛けると が消えて定数になる。これが条件です。
なら積が で、最小は 。等号は 。
なら積が で、最小は 。等号は 。
積が定数にならない形では使えません。 は積が で、 が残ります。
三角関数の問題でこの形が出るのは、 の加法定理を通ったときが多い。分母に と が並びます。
の最大が の最大と一致するのは、 が鋭角に限られる からです。
では が増加し続けるので、順序が保たれます[3]。鈍角が入る問題では、この言い換えができません。
目の高さが絵より上にあるとき
絵の上端が目より下にあるなら、話が逆になります。見下ろす角です。
と を目の高さから測った深さと読み替えれば、式はそのまま使えます。
答えも同じ 。上か下かは、符号を測り直せば吸収されます。
やっかいなのは、目の高さが絵の途中にある場合です。上端が上、下端が下にある。
このとき見込む角は で、和になります。 を小さくするほど両方が大きくなるので、壁に近づくほど角は広がる。
最大値がありません。壁にくっつくと に近づきます。式の形が変わる点を見落とさないようにします。

例:数を変えてみる
下端が メートル、上端が メートルなら、最適な距離は メートル。
です。さきほどと同じ値になりました。
高さを両方 2 倍にすると、距離も 2 倍になり、角は変わらない。図形が相似になるためです。
下端が 、つまり絵の下端が目の高さと同じなら 。
壁にくっつくのが最適という答えになります。実際、下端が目の高さなら、近いほど上端を見上げる角が広がります。
まちがえやすい点
の最大と の最大を、確かめずに同じ扱いにする誤りが多い。鋭角である断りが要ります。
の加法定理の分母の符号もまちがえやすい。引き算の形では です。
相加相乗で等号の条件を書き忘れる形もよく出ます。 が答えそのものなので、落とすと結論になりません。
積が定数になっていないのに相加相乗を当てる誤りもあります。掛けて が消えるかを先に確かめます。
目の高さが絵の途中にある場合を同じ式で処理する形も見ます。角が和になり、最大値が存在しません。
下端が目の高さより メートル上、上端が メートル上の絵を見るとき、最適な距離はどれですか。
- メートル
- メートル
- メートル
式の形も確かめます。
で を最大にするには、どうしますか。
- 分子を最大にする
- 分母を最小にする
- 分母を最大にする
分子 は を含まない定数です。動くのは分母だけなので、分母が最小のとき分数全体が最大になります。分母は で、積が と定数なので相加相乗が使えます。
で書き、分母に相加相乗を当てる。あるいは接する円を描く。どちらも相乗平均に着きます。













x=ab=3×12=36=6 です。7.5 は相加平均 23+12 の値で、この問題では答えになりません。使うのは相乗平均のほうです。