Рассмотрите задачу оптимизации: найти максимальную площадь четырехугольника с данными сторонами a, b, c, d. Обсудите, существуют ли решения в общем случае, и какие допущения нужны для единственности
Коротко и по делу. 1) Условие допустимости. Чтобы стороны a,b,c,d>0a,b,c,d>0a,b,c,d>0 задавали выпуклый простой четырёхугольник, нужно, в частности, max{a,b,c,d}<a+b+c+d−max{a,b,c,d},
\max\{a,b,c,d\}<a+b+c+d-\max\{a,b,c,d\}, max{a,b,c,d}<a+b+c+d−max{a,b,c,d},
т.е. каждая сторона меньше суммы трёх остальных (здесь и далее предполагаем фиксированный порядок сторон по окружности). 2) Общая формула площади (Бретшнейдер). Пусть s=a+b+c+d2s=\dfrac{a+b+c+d}{2}s=2a+b+c+d и θ\thetaθ — сумма двух противоположных углов. Тогда площадь KKK любого выпуклого четырёхугольника со сторо\-нами a,b,c,da,b,c,da,b,c,d выражается как K=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos2θ2.
K=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos^2\frac{\theta}{2}}. K=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos22θ.
Отсюда сразу следует оценка K≤(s−a)(s−b)(s−c)(s−d).
K\le\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}. K≤(s−a)(s−b)(s−c)(s−d). 3) Максимум и его достижение. Правая часть достигается тогда и только тогда, когда cosθ2=0\cos\frac{\theta}{2}=0cos2θ=0, т.е. θ=π\theta=\piθ=π. Это условие эквивалентно тому, что четырёхугольник циклический (вписан в окружность). В этом случае площадь определяется формулой Брахмагупты: Kmax=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d).
K_{\max}=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}. Kmax=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d). 4) Существование циклического решения. Не для любых наборов a,b,c,da,b,c,da,b,c,d, допустимых как стороны четырёхугольника, существует циклический четырёхугольник с этими сторонами. Эквивалентное условие существования вписанного четырёхугольника: существуют углы xi∈(0,π)x_i\in(0,\pi)xi∈(0,π) такие, что ∑i=14xi=π\sum_{i=1}^4 x_i=\pi∑i=14xi=π и sinxi∝ai,
\sin x_i \propto a_i, sinxi∝ai,
или, что то же самое, существует k>0k>0k>0 с kai≤1k a_i\le1kai≤1 и ∑i=14arcsin(kai)=π.
\sum_{i=1}^4 \arcsin(k a_i)=\pi. i=1∑4arcsin(kai)=π.
Если такое kkk существует, то максимум равен выражению Брахмагупты и достигается циклическим четырёхугольником. Если такого kkk нет, то cos2θ2\cos^2\frac{\theta}{2}cos22θ не может быть равной нулю, и максимум площади среди выпуклых четырёхугольников будет строго меньше (s−a)(s−b)(s−c)(s−d)\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}(s−a)(s−b)(s−c)(s−d); при фиксированном порядке сторон максимум при этом всё равно существует (компактность множества конфигураций) и соответствует тому значению θ\thetaθ, при котором cos2θ2\cos^2\frac{\theta}{2}cos22θ минимально достижимое. 5) Единственность. Значение максимальной площади однозначно (формула в п.3 зависит только от сторон). Форма четырёхугольника, достигающая максимум, при фиксированном порядке сторон: если циклический четырёхугольник существует, то он (в заданном порядке) определяется однозначно с точностью до зеркального отражения; если порядок не фиксирован, разные порядки могут давать разные (возможно одинаковые) максимумы. В общем, для единственности формы нужно явно: (i) считать порядок сторон фиксированным; (ii) требовать выпуклости; (iii) и чтобы существовал вписанный (циклический) четырёхугольник — тогда максимум достигается им и форма уникальна до отражения. Итого: максимум площади при фиксированных сторонах существует и равен формуле Брахмагупты тогда и только тогда, когда можно построить циклический четырёхугольник с этими сторонами; иначе максимум меньше этой оценки, но также достигается при некоторой конфигурации.
1) Условие допустимости. Чтобы стороны a,b,c,d>0a,b,c,d>0a,b,c,d>0 задавали выпуклый простой четырёхугольник, нужно, в частности,
max{a,b,c,d}<a+b+c+d−max{a,b,c,d}, \max\{a,b,c,d\}<a+b+c+d-\max\{a,b,c,d\},
max{a,b,c,d}<a+b+c+d−max{a,b,c,d}, т.е. каждая сторона меньше суммы трёх остальных (здесь и далее предполагаем фиксированный порядок сторон по окружности).
2) Общая формула площади (Бретшнейдер). Пусть s=a+b+c+d2s=\dfrac{a+b+c+d}{2}s=2a+b+c+d и θ\thetaθ — сумма двух противоположных углов. Тогда площадь KKK любого выпуклого четырёхугольника со сторо\-нами a,b,c,da,b,c,da,b,c,d выражается как
K=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos2θ2. K=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos^2\frac{\theta}{2}}.
K=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d)−abcdcos22θ . Отсюда сразу следует оценка
K≤(s−a)(s−b)(s−c)(s−d). K\le\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}.
K≤(s−a)(s−b)(s−c)(s−d) .
3) Максимум и его достижение. Правая часть достигается тогда и только тогда, когда cosθ2=0\cos\frac{\theta}{2}=0cos2θ =0, т.е. θ=π\theta=\piθ=π. Это условие эквивалентно тому, что четырёхугольник циклический (вписан в окружность). В этом случае площадь определяется формулой Брахмагупты:
Kmax=(s−a)(s−b)(s−c)(s−d). K_{\max}=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}.
Kmax =(s−a)(s−b)(s−c)(s−d) .
4) Существование циклического решения. Не для любых наборов a,b,c,da,b,c,da,b,c,d, допустимых как стороны четырёхугольника, существует циклический четырёхугольник с этими сторонами. Эквивалентное условие существования вписанного четырёхугольника: существуют углы xi∈(0,π)x_i\in(0,\pi)xi ∈(0,π) такие, что ∑i=14xi=π\sum_{i=1}^4 x_i=\pi∑i=14 xi =π и
sinxi∝ai, \sin x_i \propto a_i,
sinxi ∝ai , или, что то же самое, существует k>0k>0k>0 с kai≤1k a_i\le1kai ≤1 и
∑i=14arcsin(kai)=π. \sum_{i=1}^4 \arcsin(k a_i)=\pi.
i=1∑4 arcsin(kai )=π. Если такое kkk существует, то максимум равен выражению Брахмагупты и достигается циклическим четырёхугольником. Если такого kkk нет, то cos2θ2\cos^2\frac{\theta}{2}cos22θ не может быть равной нулю, и максимум площади среди выпуклых четырёхугольников будет строго меньше (s−a)(s−b)(s−c)(s−d)\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)}(s−a)(s−b)(s−c)(s−d) ; при фиксированном порядке сторон максимум при этом всё равно существует (компактность множества конфигураций) и соответствует тому значению θ\thetaθ, при котором cos2θ2\cos^2\frac{\theta}{2}cos22θ минимально достижимое.
5) Единственность. Значение максимальной площади однозначно (формула в п.3 зависит только от сторон). Форма четырёхугольника, достигающая максимум, при фиксированном порядке сторон: если циклический четырёхугольник существует, то он (в заданном порядке) определяется однозначно с точностью до зеркального отражения; если порядок не фиксирован, разные порядки могут давать разные (возможно одинаковые) максимумы. В общем, для единственности формы нужно явно: (i) считать порядок сторон фиксированным; (ii) требовать выпуклости; (iii) и чтобы существовал вписанный (циклический) четырёхугольник — тогда максимум достигается им и форма уникальна до отражения.
Итого: максимум площади при фиксированных сторонах существует и равен формуле Брахмагупты тогда и только тогда, когда можно построить циклический четырёхугольник с этими сторонами; иначе максимум меньше этой оценки, но также достигается при некоторой конфигурации.