Дан ромб со сторонами длины a; исследуйте зависимость площади ромба и радиуса вписанной окружности от угла между диагоналями, найдите экстремальные значения и докажите полученные формулы
Кратко: в ромбе диагонали всегда перпендикулярны, поэтому угол между диагоналями равен π/2\pi/2π/2 и не меняется; как следствие, площадь и радиус вписанной окружности не зависят от некоторого «угла между диагоналями» (он постоянен). Если же имелся в виду зависимость от угла между соседними сторонами (внутреннего угла) α\alphaα, то ниже — формулы, их доказательства и экстремумы. 1) Перпендикулярность диагоналей (короткое доказательство). Обозначим векторы двух соседних сторон ромба через u,v\mathbf u,\mathbf vu,v, ∣u∣=∣v∣=a|\mathbf u|=|\mathbf v|=a∣u∣=∣v∣=a. Диагонали заданы векторами u+v\mathbf u+\mathbf vu+v и u−v\mathbf u-\mathbf vu−v. Их скалярное произведение (u+v)⋅(u−v)=∣u∣2−∣v∣2=a2−a2=0,
(\mathbf u+\mathbf v)\cdot(\mathbf u-\mathbf v)=|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2= a^2-a^2=0, (u+v)⋅(u−v)=∣u∣2−∣v∣2=a2−a2=0,
следовательно диагонали перпендикулярны и угол между ними φ=π/2\varphi=\pi/2φ=π/2. 2) Формулы через внутренний угол α\alphaα (если это то, что требуется). Диагонали имеют длины d1=2asinα2,d2=2acosα2,
d_1=2a\sin\frac{\alpha}{2},\qquad d_2=2a\cos\frac{\alpha}{2}, d1=2asin2α,d2=2acos2α,
так как по теореме косинусов (в треугольнике с двумя сторонами aaa и углом α\alphaα) длина диагонали равна a2−2cosα=2asinα2a\sqrt{2-2\cos\alpha}=2a\sin\frac{\alpha}{2}a2−2cosα=2asin2α, а вторая диагональ аналогично даёт 2acosα22a\cos\frac{\alpha}{2}2acos2α. Площадь ромба через диагонали: S=d1d22=(2asinα2)(2acosα2)2=a2sinα.
S=\frac{d_1d_2}{2}=\frac{(2a\sin\frac{\alpha}{2})(2a\cos\frac{\alpha}{2})}{2}=a^2\sin\alpha. S=2d1d2=2(2asin2α)(2acos2α)=a2sinα.
Радиус вписанной окружности rrr для вписанного в ромб круга даётся формулой S=r⋅sS=r\cdot sS=r⋅s, где sss — полупериметр. Так как периметр 4a4a4a, то s=2as=2as=2a, следовательно r=S2a=a2sinα2a=asinα2.
r=\frac{S}{2a}=\frac{a^2\sin\alpha}{2a}=\frac{a\sin\alpha}{2}. r=2aS=2aa2sinα=2asinα. 3) Экстремальные значения (при α∈(0,π)\alpha\in(0,\pi)α∈(0,π)). Функция sinα\sin\alphasinα достигает максимума 111 при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2 и стремится к 000 при α→0+\alpha\to0^+α→0+ или α→π−\alpha\to\pi^-α→π−. Следовательно Smax=a2при α=π2(ромб — квадрат),
S_{\max}=a^2\quad\text{при }\alpha=\frac{\pi}{2}\quad(\text{ромб — квадрат}), Smax=a2приα=2π(ромб — квадрат),Smin=0(предел при вырождающемся ромбе).
S_{\min}=0\quad\text{(предел при вырождающемся ромбе)}. Smin=0(пределпривырождающемсяромбе).
Для радиуса: rmax=a2при α=π2,
r_{\max}=\frac{a}{2}\quad\text{при }\alpha=\frac{\pi}{2}, rmax=2aприα=2π,rmin=0(предел).
r_{\min}=0\quad\text{(предел)}. rmin=0(предел). Итого: угол между диагоналями в любом ромбе равен π/2\pi/2π/2 (нет зависимости), а если рассматривать зависимость по внутреннему углу α\alphaα, то S=a2sinα,r=asinα2,
S=a^2\sin\alpha,\qquad r=\frac{a\sin\alpha}{2}, S=a2sinα,r=2asinα,
максимумы при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2 (квадрат): Smax=a2, rmax=a/2S_{\max}=a^2,\; r_{\max}=a/2Smax=a2,rmax=a/2.
1) Перпендикулярность диагоналей (короткое доказательство).
Обозначим векторы двух соседних сторон ромба через u,v\mathbf u,\mathbf vu,v, ∣u∣=∣v∣=a|\mathbf u|=|\mathbf v|=a∣u∣=∣v∣=a. Диагонали заданы векторами u+v\mathbf u+\mathbf vu+v и u−v\mathbf u-\mathbf vu−v. Их скалярное произведение
(u+v)⋅(u−v)=∣u∣2−∣v∣2=a2−a2=0, (\mathbf u+\mathbf v)\cdot(\mathbf u-\mathbf v)=|\mathbf u|^2-|\mathbf v|^2= a^2-a^2=0,
(u+v)⋅(u−v)=∣u∣2−∣v∣2=a2−a2=0, следовательно диагонали перпендикулярны и угол между ними φ=π/2\varphi=\pi/2φ=π/2.
2) Формулы через внутренний угол α\alphaα (если это то, что требуется).
Диагонали имеют длины
d1=2asinα2,d2=2acosα2, d_1=2a\sin\frac{\alpha}{2},\qquad d_2=2a\cos\frac{\alpha}{2},
d1 =2asin2α ,d2 =2acos2α , так как по теореме косинусов (в треугольнике с двумя сторонами aaa и углом α\alphaα) длина диагонали равна a2−2cosα=2asinα2a\sqrt{2-2\cos\alpha}=2a\sin\frac{\alpha}{2}a2−2cosα =2asin2α , а вторая диагональ аналогично даёт 2acosα22a\cos\frac{\alpha}{2}2acos2α . Площадь ромба через диагонали:
S=d1d22=(2asinα2)(2acosα2)2=a2sinα. S=\frac{d_1d_2}{2}=\frac{(2a\sin\frac{\alpha}{2})(2a\cos\frac{\alpha}{2})}{2}=a^2\sin\alpha.
S=2d1 d2 =2(2asin2α )(2acos2α ) =a2sinα. Радиус вписанной окружности rrr для вписанного в ромб круга даётся формулой S=r⋅sS=r\cdot sS=r⋅s, где sss — полупериметр. Так как периметр 4a4a4a, то s=2as=2as=2a, следовательно
r=S2a=a2sinα2a=asinα2. r=\frac{S}{2a}=\frac{a^2\sin\alpha}{2a}=\frac{a\sin\alpha}{2}.
r=2aS =2aa2sinα =2asinα .
3) Экстремальные значения (при α∈(0,π)\alpha\in(0,\pi)α∈(0,π)).
Функция sinα\sin\alphasinα достигает максимума 111 при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2 и стремится к 000 при α→0+\alpha\to0^+α→0+ или α→π−\alpha\to\pi^-α→π−. Следовательно
Smax=a2при α=π2(ромб — квадрат), S_{\max}=a^2\quad\text{при }\alpha=\frac{\pi}{2}\quad(\text{ромб — квадрат}),
Smax =a2при α=2π (ромб — квадрат), Smin=0(предел при вырождающемся ромбе). S_{\min}=0\quad\text{(предел при вырождающемся ромбе)}.
Smin =0(предел при вырождающемся ромбе). Для радиуса:
rmax=a2при α=π2, r_{\max}=\frac{a}{2}\quad\text{при }\alpha=\frac{\pi}{2},
rmax =2a при α=2π , rmin=0(предел). r_{\min}=0\quad\text{(предел)}.
rmin =0(предел).
Итого: угол между диагоналями в любом ромбе равен π/2\pi/2π/2 (нет зависимости), а если рассматривать зависимость по внутреннему углу α\alphaα, то
S=a2sinα,r=asinα2, S=a^2\sin\alpha,\qquad r=\frac{a\sin\alpha}{2},
S=a2sinα,r=2asinα , максимумы при α=π/2\alpha=\pi/2α=π/2 (квадрат): Smax=a2, rmax=a/2S_{\max}=a^2,\; r_{\max}=a/2Smax =a2,rmax =a/2.