Дан квадрат ABCD; на сторонах AB и CD выбраны точки P и Q так, что AP = CQ = x; исследуйте геометрию ломаной P-B-Q и найдите положение x, при котором эта ломаная минимизирует суммарную длину PB + BQ
Пусть сторона квадрата равна aaa. Возьмём координаты A=(0,0), B=(a,0), C=(a,a), D=(0,a)A=(0,0),\;B=(a,0),\;C=(a,a),\;D=(0,a)A=(0,0),B=(a,0),C=(a,a),D=(0,a). Тогда P=(x,0)P=(x,0)P=(x,0), Q=(a−x,a)Q=(a-x,a)Q=(a−x,a) при 0≤x≤a0\le x\le a0≤x≤a. Длины: PB=a−x,BQ=(a−(a−x))2+(0−a)2=x2+a2.
PB=a-x,\qquad BQ=\sqrt{(a-(a-x))^2+(0-a)^2}=\sqrt{x^2+a^2}. PB=a−x,BQ=(a−(a−x))2+(0−a)2=x2+a2.
Суммарная длина L(x)=PB+BQ=a−x+a2+x2.
L(x)=PB+BQ=a-x+\sqrt{a^2+x^2}. L(x)=PB+BQ=a−x+a2+x2.
Производная L′(x)=−1+xa2+x2<0для всех 0≤x≤a,
L'(x)=-1+\frac{x}{\sqrt{a^2+x^2}}<0\quad\text{для всех }0\le x\le a, L′(x)=−1+a2+x2x<0длявсех0≤x≤a,
поскольку xa2+x2<1\dfrac{x}{\sqrt{a^2+x^2}}<1a2+x2x<1. Значит LLL монотонно убывает на отрезке, минимум достигается при x=ax=ax=a. Итог: оптимальное положение — x=ax=ax=a (т.е. P=B, Q=DP=B,\;Q=DP=B,Q=D), минимальная длина Lmin=a2.
L_{\min}=a\sqrt{2}. Lmin=a2.
(При выборе стороны a=1a=1a=1 получается x=1x=1x=1 и Lmin=2L_{\min}=\sqrt{2}Lmin=2.)
Длины:
PB=a−x,BQ=(a−(a−x))2+(0−a)2=x2+a2. PB=a-x,\qquad BQ=\sqrt{(a-(a-x))^2+(0-a)^2}=\sqrt{x^2+a^2}.
PB=a−x,BQ=(a−(a−x))2+(0−a)2 =x2+a2 . Суммарная длина
L(x)=PB+BQ=a−x+a2+x2. L(x)=PB+BQ=a-x+\sqrt{a^2+x^2}.
L(x)=PB+BQ=a−x+a2+x2 . Производная
L′(x)=−1+xa2+x2<0для всех 0≤x≤a, L'(x)=-1+\frac{x}{\sqrt{a^2+x^2}}<0\quad\text{для всех }0\le x\le a,
L′(x)=−1+a2+x2 x <0для всех 0≤x≤a, поскольку xa2+x2<1\dfrac{x}{\sqrt{a^2+x^2}}<1a2+x2 x <1. Значит LLL монотонно убывает на отрезке, минимум достигается при x=ax=ax=a.
Итог: оптимальное положение — x=ax=ax=a (т.е. P=B, Q=DP=B,\;Q=DP=B,Q=D), минимальная длина
Lmin=a2. L_{\min}=a\sqrt{2}.
Lmin =a2 . (При выборе стороны a=1a=1a=1 получается x=1x=1x=1 и Lmin=2L_{\min}=\sqrt{2}Lmin =2 .)