Рассмотрите невырожденный выпуклый четырёхугольник ABCD, в котором диагонали пересекаются под углом φ; исследуйте зависимость площади четырёхугольника от длин диагоналей и угла φ, найдите экстремальные соотношения при фиксированной сумме диагоналей и прокомментируйте геометрический смысл
Ответ: 1) Формула площади. Пусть длины диагоналей AC=pAC=pAC=p, BD=qBD=qBD=q, угол между ними φ\varphiφ (для невырожденного выпуклого четырёхугольника φ∈(0,π)\varphi\in(0,\pi)φ∈(0,π)). Тогда S=12 pqsinφ.
S=\tfrac12\,p q\sin\varphi. S=21pqsinφ. 2) Зависимость. При фиксированных p,qp,qp,q площадь монотонно зависит от sinφ\sin\varphisinφ, максимальна при φ=π2\varphi=\tfrac\pi2φ=2π, минимально стремится к 000 при φ→0\varphi\to0φ→0 или φ→π\varphi\to\piφ→π. 3) Экстремумы при фиксированной сумме диагоналей. Пусть p+q=sp+q=sp+q=s — фиксировано. По неравенству среднего и геометрического: pq≤(p+q2)2=(s2)2.
p q\le\Big(\frac{p+q}{2}\Big)^2=\Big(\frac{s}{2}\Big)^2. pq≤(2p+q)2=(2s)2.
Следовательно при данном φ\varphiφS=12pqsinφ≤12(s2)2sinφ=s28sinφ,
S=\tfrac12 p q\sin\varphi\le\tfrac12\Big(\frac{s}{2}\Big)^2\sin\varphi=\frac{s^2}{8}\sin\varphi, S=21pqsinφ≤21(2s)2sinφ=8s2sinφ,
равенство при p=q=s2p=q=\tfrac{s}{2}p=q=2s. При свободном выборе φ\varphiφ дополнительно sinφ≤1\sin\varphi\le1sinφ≤1, поэтому глобальная верхняя граница S≤s28,
S\le\frac{s^2}{8}, S≤8s2,
достигается при p=q=s2p=q=\tfrac{s}{2}p=q=2s и φ=π2\varphi=\tfrac\pi2φ=2π. Нижняя граница (инфимум) равна 000 (приближая φ→0\varphi\to0φ→0 или делая одну диагональ малой получаем вырождение). 4) Геометрический смысл. Максимум достигается при равных и перпендикулярных диагоналях — это симметричная конфигурация; такой набор достижим, например, квадратом (для которого p=q=s/2p=q=s/2p=q=s/2 и φ=π/2\varphi=\pi/2φ=π/2), поэтому среди всех выпуклых четырёхугольников с данной суммой диагоналей наибольшая площадь равна s28\frac{s^2}{8}8s2 и реализуется квадратом. Нижний предел 000 соответствует вырождению фигуры.
1) Формула площади. Пусть длины диагоналей AC=pAC=pAC=p, BD=qBD=qBD=q, угол между ними φ\varphiφ (для невырожденного выпуклого четырёхугольника φ∈(0,π)\varphi\in(0,\pi)φ∈(0,π)). Тогда
S=12 pqsinφ. S=\tfrac12\,p q\sin\varphi.
S=21 pqsinφ.
2) Зависимость. При фиксированных p,qp,qp,q площадь монотонно зависит от sinφ\sin\varphisinφ, максимальна при φ=π2\varphi=\tfrac\pi2φ=2π , минимально стремится к 000 при φ→0\varphi\to0φ→0 или φ→π\varphi\to\piφ→π.
3) Экстремумы при фиксированной сумме диагоналей. Пусть p+q=sp+q=sp+q=s — фиксировано. По неравенству среднего и геометрического:
pq≤(p+q2)2=(s2)2. p q\le\Big(\frac{p+q}{2}\Big)^2=\Big(\frac{s}{2}\Big)^2.
pq≤(2p+q )2=(2s )2. Следовательно при данном φ\varphiφ S=12pqsinφ≤12(s2)2sinφ=s28sinφ, S=\tfrac12 p q\sin\varphi\le\tfrac12\Big(\frac{s}{2}\Big)^2\sin\varphi=\frac{s^2}{8}\sin\varphi,
S=21 pqsinφ≤21 (2s )2sinφ=8s2 sinφ, равенство при p=q=s2p=q=\tfrac{s}{2}p=q=2s . При свободном выборе φ\varphiφ дополнительно sinφ≤1\sin\varphi\le1sinφ≤1, поэтому глобальная верхняя граница
S≤s28, S\le\frac{s^2}{8},
S≤8s2 , достигается при p=q=s2p=q=\tfrac{s}{2}p=q=2s и φ=π2\varphi=\tfrac\pi2φ=2π . Нижняя граница (инфимум) равна 000 (приближая φ→0\varphi\to0φ→0 или делая одну диагональ малой получаем вырождение).
4) Геометрический смысл. Максимум достигается при равных и перпендикулярных диагоналях — это симметричная конфигурация; такой набор достижим, например, квадратом (для которого p=q=s/2p=q=s/2p=q=s/2 и φ=π/2\varphi=\pi/2φ=π/2), поэтому среди всех выпуклых четырёхугольников с данной суммой диагоналей наибольшая площадь равна s28\frac{s^2}{8}8s2 и реализуется квадратом. Нижний предел 000 соответствует вырождению фигуры.