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

23 Апр в 16:01
4 +1
0
Ответы
1
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+dmax{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)−abcdcos⁡2θ2. K=\sqrt{(s-a)(s-b)(s-c)(s-d)-abcd\cos^2\frac{\theta}{2}}.
K=(sa)(sb)(sc)(sd)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(sa)(sb)(sc)(sd) .

3) Максимум и его достижение. Правая часть достигается тогда и только тогда, когда cos⁡θ2=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 =(sa)(sb)(sc)(sd) .

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=\pii=14 xi =π и
sin⁡xi∝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=14 arcsin(kai )=π.
Если такое kkk существует, то максимум равен выражению Брахмагупты и достигается циклическим четырёхугольником. Если такого kkk нет, то cos⁡2θ2\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)}(sa)(sb)(sc)(sd) ; при фиксированном порядке сторон максимум при этом всё равно существует (компактность множества конфигураций) и соответствует тому значению θ\thetaθ, при котором cos⁡2θ2\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.
23 Апр в 16:08
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Прямой эфир