Kvant

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

44

S. Ovchinnikov

Nếu khoảng cách không được đóng lại…

Khi lời giải hình học bài toán nhằm mục đích tìm giá trị lớn nhất (hoặc nhiều nhất), đôi khi người ta quên rằng đại lượng cần tìm thường đáp ứng một số hạn chế nhất định do ý nghĩa hình học của chúng. Trong nhiều bài toán như vậy, việc nghiên cứu hàm đang được xem xét tại ranh giới của miền xác định được xác định bởi phần lời giải hiện có.

Dưới đây là những ví dụ về nghiên cứu như vậy.

Bài toán 1. Tên giá trị chu vi của hình chữ nhật được viết theo một đoạn tròn cho trước sao cho hai đỉnh của nó nằm trên dây của một đoạn cho trước.

Lời giải. Gọi 2a2a là độ dài dây cung của đoạn và hh chiều cao của nó (Hình 1). Dễ dàng nhận thấy bán kính của hình tròn là R=a2+h22hR = \frac{a^2 + h^2}{2h}.

Ký hiệu bằng xx nửa chiều dài đáy của hình chữ nhật nội tiếp

Hình 1.

Vì vậy, hãy tìm độ dài của cạnh thứ hai:

y=R2−x2−R+h.y = \sqrt{R^2 - x^2} - R + h.

Từ đây chúng ta tìm chu vi PP của hình chữ nhật là hàm của biến xx:

P(x)=4x+2R2−x2−2R+2h.P(x) = 4x + 2\sqrt{R^2 - x^2} - 2R + 2h.

Ngoài ra, x∈]0;a[x \in ]0; a[ nếu h≤Rh \leq R và x∈]0;a[x \in ]0; a[ nếu h>Rh > R (kiểm tra!).

Chúng ta hãy tìm các điểm tới hạn của hàm PP và nghiên cứu chúng. chúng tôi có

P′(x)=4−2xR2−x2.P'(x) = 4 - \frac{2x}{\sqrt{R^2 - x^2}}.

Từ đây

P′(x)=0⇔2R2−x2=x.P'(x) = 0 \Leftrightarrow 2\sqrt{R^2 - x^2} = x.

Giải phương trình cuối cùng, ta tìm được điểm tới hạn x0=255Rx_0 = \frac{2\sqrt{5}}{5}R.

Hàm 2xR2−x2\frac{2x}{\sqrt{R^2 - x^2}} là tuổi. Do đó, đạo hàm của P′(x)P'(x) dương tại x<x0x < x_0 và âm tại x>x0x > x_0. Như vậy, điểm x0x_0 là điểm cực đại của hàm số PP. Vẫn còn phải điều tra câu hỏi khi nào điểm này cho giá trị chu vi tối đa và điều gì xảy ra khi không đạt được giá trị tối đa tại điểm này. Trong nghiên cứu này, khoảng mà hàm PP được xác định đóng một vai trò quan trọng. Ví dụ: đối với h≤Rh \leq R thì đây là khoảng ]0;a[]0; a[ và đối với h>Rh > R thì khoảng kết quả là ]0;a[]0; a[.

Trong cả hai trường hợp, nếu điểm tới hạn x0x_0 thuộc khoảng ]0;a[]0; a[, thì hàm PP sẽ lấy giá trị lớn nhất trong khoảng đó. chúng tôi có

x0∈]0;a[⇔255R<a⇔55⋅a2+h2h<a.x_0 \in ]0; a[ \Leftrightarrow \frac{2\sqrt{5}}{5}R < a \Leftrightarrow \frac{\sqrt{5}}{5} \cdot \frac{a^2 + h^2}{h} < a.

Giải phương trình cuối cùng, ta tìm được ha∈[5−12;5+12]\frac{h}{a} \in \left[ \frac{\sqrt{5} - 1}{2}; \frac{\sqrt{5} + 1}{2} \right].

Đối với tất cả các giá trị như vậy aa và hh, giá trị chu vi lớn nhất bằng

P(x0)=(5−1)a2+(5+1)h2h.P(x_0) = \frac{(\sqrt{5} - 1)a^2 + (\sqrt{5} + 1)h^2}{h}.

45

Bây giờ hãy để điểm tới hạn x0x_0 không thuộc khoảng ]0;a[]0; a[, tức là x0⩾ax_0 \geqslant a. Trong trường hợp này, tích P′(x)P'(x) dương với tất cả xx của ]0;a[]0; a[ và hàm PP trả về trong khoảng ]0;a[]0; a[.

Hãy để h⩽Rh \leqslant R. Cùng với các điều kiện x0⩾ax_0 \geqslant a, điều này mang lại cho chúng ta ha⩽5−12\frac{h}{a} \leqslant \frac{\sqrt{5}-1}{2}.

Vì tại h⩽Rh \leqslant R hàm PP được xác định trên khoảng ]0;a[]0; a[ nên chúng ta kết luận rằng nó không đạt giá trị cực đại.

Nếu h>Rh > R thì cùng với các điều kiện x0⩾ax_0 \geqslant a ta thu được ha⩾5+12\frac{h}{a} \geqslant \frac{\sqrt{5}+1}{2}. Vì trong trường hợp này, hàm PP được xác định trên khoảng nửa chữ cái ]0;a[]0; a[, nên nó đạt giá trị tối đa tại x=ax = a. Giá trị này là P(a)=4a+2⋅h2−a2hP(a) = 4a + 2 \cdot \frac{h^2 - a^2}{h}.

Hãy để chúng tôi đưa ra một minh họa hình học rõ ràng về kết quả thu được. Chúng ta hãy chọn hai dây “quan trọng” song song trong một vòng tròn có bán kính RR, nằm ở khoảng cách 55R\frac{\sqrt{5}}{5} R tính từ tâm vòng tròn (Hình 2) và dựng chúng thành hình chữ nhật. Chúng tôi sẽ chỉ xem xét các phân đoạn “trên” có hợp âm song song với các hợp âm đã chọn.

Nếu hợp âm của một đoạn nhất định nằm giữa các hợp âm đã chọn, thì a>255Ra > \frac{2\sqrt{5}}{5} R và hình chữ nhật nội tiếp trong đoạn của chúng ta có chu vi lớn nhất là giao điểm của đoạn này với hình chữ nhật được xây dựng trên các hợp âm đã chọn (xem Hình 2).

Nếu hợp âm của một đoạn nhất định nằm trên cả hai hợp âm đã chọn thì h<Rh < R và a⩽255Ra \leqslant \frac{2\sqrt{5}}{5} R; trong trường hợp này, chu vi của hình chữ nhật nội tiếp không đạt giá trị tối đa (Hình 3).

Cuối cùng, nếu hợp âm của một đoạn nhất định nằm trên cả hai hợp âm đã chọn thì h>Rh > R và a⩽255Ra \leqslant \frac{2\sqrt{5}}{5} R; trong trường hợp này, hình chữ nhật nội tiếp có chu vi lớn nhất có dây cung này làm đáy (Hình 4).

Hình 5.

Bài toán 2. Từ một hình chữ nhật có phần “đường đi” bị cắt (Hình 5), cần cắt một hình chữ nhật có diện tích phẳng nhất, song song với các cạnh của hình chữ nhật này.

Lời giải. Chúng ta hãy giới thiệu một hệ tọa độ, như trong Hình 6, và tiếp tục “trung bình” tuyến tính cho đến khi nó giao nhau với các trục tọa độ. Cho phép

46

Các điểm giao nhau của nó với các trục tọa độ là A(a,0)A(a, 0) và B(0,b)B(0, b). Hãy giải phụ trợ bài toán sau: nội tiếp tam giác AOB một hình chữ nhật có diện tích lớn nhất, một trong các đỉnh của nó là OO. Đặt độ lớn của hình chữ nhật phụ là xx. Khi đó chiều cao của nó là b−baxb - \frac{b}{a}x. Do đó diện tích của hình chữ nhật, được coi là hàm của xx, là

S(x)=x(b−bax).S(x) = x \left( b - \frac{b}{a}x \right).

Rõ ràng, S(x)S(x) nhận giá trị tối đa ở x0=a2x_0 = \frac{a}{2}. Trong trường hợp này, hàm SS trả về 0;a20; \frac{a}{2} trên khoảng kết quả và hủy bỏ [a2;a]\left[ \frac{a}{2}; a \right] trên khoảng kết quả.

Nghiên cứu được tiến hành về hàm SS cho phép chúng tôi đưa ra biểu diễn trực quan sau đây lời giải của bài toán ban đầu. Nếu phần giữa KK của đoạn [AB][AB] thuộc về “đường cắt” [CD][CD] thì nó phải được lấy làm đỉnh của hình chữ nhật mong muốn. Nếu điểm KK được cắt “ở trên” [CD][CD], thì điểm CC phải được lấy làm đỉnh của hình chữ nhật mong muốn. Nếu nó nằm “bên dưới” đường cắt [CD][CD] thì điểm DD được lấy làm đỉnh của hình chữ nhật mong muốn.

Bài toán 3. Trong một hình nón có góc 2α2\alpha ở đỉnh của phần chính và có giá trị bán kính đáy RR treo một hình trụ có tổng diện tích bề mặt lớn nhất.

Lời giải. Hình 7 cho thấy mặt cắt ngang cuối cùng của hình nón này. Ký hiệu bằng xx bán kính đáy của hình trụ treo, ta dễ dàng nhận thấy chiều cao của nó (R−xR-x) stg α\alpha. Do đó tổng bề mặt, như là một hàm của biến xx, là

S(x)=2π⋅ctgα[(tgα−1)x2+Rx].S(x) = 2\pi \cdot \text{ctg} \alpha \left[ (\text{tg} \alpha - 1) x^2 + Rx \right].

Hàm này được xác định bởi các điều kiện bài toán trên khoảng ]0;R[]0; R[. Đối với tgα≠1tg \alpha \neq 1 chúng ta dễ dàng tìm thấy hàm điểm tới hạn x0=R2(1−tgα)x_0 = \frac{R}{2(1-tg \alpha)} SS.

Tùy thuộc vào vị trí của điểm tới hạn so với khoảng ]0;R[]0; R[, có thể xảy ra ba trường hợp:

  1. x0<0⇔tgα>1x_0 < 0 \Leftrightarrow \text{tg} \alpha > 1.

Rõ ràng trong trường hợp này, hàm SS đang tăng trên khoảng ]0;R[]0; R[. Trong trường hợp này, hàm SS không đạt giá trị tối đa.

  1. x0∈]0;R[⇔0<R2(1−tgα)<R⇔tgα<12x_0 \in ]0; R[ \Leftrightarrow 0 < \frac{R}{2(1-tg \alpha)} < R \Leftrightarrow \text{tg} \alpha < \frac{1}{2}.

Trong trường hợp này, điểm tới hạn x0x_0 rõ ràng là điểm cực đại của hàm SS và trên khoảng ]0;x0]]0; x_0], hàm SS trả về trong khoảng thời gian [x0;R[[x_0; R[ tiêu diệt; do đó, giá trị lớn nhất của hàm này là S(x0)=πR2⋅ctgα2(1−tgα)S(x_0) = \frac{\pi R^2 \cdot \text{ctg} \alpha}{2(1-tg \alpha)}.

  1. x0⩾R⇔12⩽tgα<1x_0 \geqslant R \Leftrightarrow \frac{1}{2} \leqslant \text{tg} \alpha < 1.

Trong trường hợp này, hàm SS đang tăng trên khoảng ]0;R[]0; R[. Để tóm tắt việc nghiên cứu hàm SS, chúng ta có thể nói rằng với tgα<12tg \alpha < \frac{1}{2} một hình trụ có tổng diện tích bề mặt lớn nhất có thể nội tiếp được trong hình nón. Nếu tgα⩾12tg \alpha \geqslant \frac{1}{2}, thì có thể các giá trị của hàm SS là khoảng mở ]0;2πR2]0; 2\pi R^2 (“Đại số và phần đầu phân tích 10”, trang 84) và hàm SS không đạt giá trị lớn nhất.

Bài toán 4. Một trong các góc của tam giác nội tiếp trong đường tròn bán kính RR bằng α\alpha. Tìm nhiều nhất

47

cổ giá trị chiều dài của chiều cao của hình tam giác.

Lời giải e. Chúng ta biểu thị độ dài cạnh của tam giác bằng aa, bb và cc (Hình 8) và góc trống nằm đối diện với cạnh aa bằng xx.

Rõ ràng là x∈]0;π−α[x \in ]0; \pi - \alpha[. Lưu ý rằng các điều kiện không chỉ ra đường cao nào trong ba đường cao của tam giác mà chúng ta đang nói đến. Do đó, với lời giải “trong bất kỳ” cần tìm giá trị lớn nhất của độ dài của mỗi chiều cao, sau đó từ các giá trị tìm được xác định giá trị lớn nhất bằng 2Rcos⁡2α22R\cos^2\frac{\alpha}{2}.

Biểu thị độ dài các đường cao của tam giác giảm xuống các cạnh aa, bb và cc lần lượt là hah_a, hbh_b và hch_c, chúng ta tính chúng dưới dạng hàm của góc xx. Sử dụng định lý sin và công thức tính mặt phẳng của tam giác, chúng ta tìm được

ha(x)=bcasin⁡x=2Rsin⁡αsin⁡(x+α),h_a(x) = \frac{bc}{a}\sin x = 2R\sin \alpha \sin (x + \alpha),

hb(x)=acbsin⁡(x+α)=2Rsin⁡αsin⁡x,h_b(x) = \frac{ac}{b}\sin (x + \alpha) = 2R\sin \alpha \sin x,

hc(x)=abcsin⁡α=2Rsin⁡xsin⁡(x+α).h_c(x) = \frac{ab}{c}\sin \alpha = 2R\sin x \sin (x + \alpha).

Xét hàm hah_a cho x∈]0;π−α[x \in ]0; \pi - \alpha[. Rõ ràng, tại α<π2\alpha < \frac{\pi}{2} hàm này đạt giá trị tối đa 2Rsin⁡α2R\sin \alpha tại x0=π2−αx_0 = \frac{\pi}{2} - \alpha.

Nếu α≥π2\alpha \geq \frac{\pi}{2} thì hàm hah_a sẽ tắt trong khoảng ]0;π−α[]0; \pi - \alpha[ và không có ý nghĩa. Tương tự, chúng ta thấy rằng hàm hbh_b cho α<π2\alpha < \frac{\pi}{2} đạt giá trị lớn nhất 2Rsin⁡α2R\sin \alpha tại x1=π2x_1 = \frac{\pi}{2}, nhưng đối với α≥π2\alpha \geq \frac{\pi}{2} thì nó không có giá trị.

Hãy cân nhắc việc kết thúc hàm hch_c. hc′(x)=2R[cos⁡x⋅sin⁡(x+α)]+sin⁡x⋅cos⁡(x+α)]=2R⋅sin⁡(2x+α)h_c'(x) = 2R[\cos x \cdot \sin (x + \alpha)] + \sin x \cdot \cos (x + \alpha)] = 2R \cdot \sin (2x + \alpha). Rõ ràng là trên khoảng ]0;π−α[]0; \pi - \alpha[ hc′(x)=0⇔sin⁡(2x+α)=0⇔2x+α=πh_c'(x) = 0 \Leftrightarrow \sin (2x + \alpha) = 0 \Leftrightarrow 2x + \alpha = \pi.

Điểm tới hạn là x2=π−α2x_2 = \frac{\pi - \alpha}{2}. Lần này α∈]0;π−α[\alpha \in ]0; \pi - \alpha[ đối với bất kỳ α\alpha hợp lệ nào. Khoảng ]0;π−α[]0; \pi - \alpha[ được theo sau bởi số dương và bên phải là số âm. Do đó, tại điểm x2x_2 hàm hch_c đạt giá trị cực đại, bằng 2Rcos⁡2α22R\cos^2\frac{\alpha}{2}.

Vì vậy, đối với mỗi giá trị của góc α\alpha, chúng ta chỉ cần tìm nhiều giá trị nhất từ ​​​​các giá trị độ cao được tìm thấy nhiều nhất.

Trước tiên chúng ta hãy xem xét trường hợp α<π2\alpha < \frac{\pi}{2}. Với α\alpha như vậy, giá trị chiều cao đạt được và nhận hai giá trị: 2Rsin⁡α2R\sin \alpha và 2Rcos⁡2α22R\cos^2\frac{\alpha}{2}. Hãy biến đổi sự khác biệt

2Rsin⁡α−2Rcos⁡2α2=2Rcos⁡2α2(2tgα2−1).2R\sin \alpha - 2R\cos^2\frac{\alpha}{2} = 2R\cos^2\frac{\alpha}{2} \left(2\tg \frac{\alpha}{2} - 1\right).

Từ đó chúng ta có thể kết luận:

a) tại α<2arctg12\alpha < 2\arctg \frac{1}{2} chiều cao tối đa là 2Rcos⁡2α22R\cos^2\frac{\alpha}{2};

b) tại 2arctg12≤α<π22\arctg \frac{1}{2} \leq \alpha < \frac{\pi}{2} chiều cao tối đa là 2Rsin⁡α2R\sin \alpha.

Hãy để bây giờ α≥π2\alpha \geq \frac{\pi}{2}. Chúng tôi đã lưu ý ở trên rằng giá trị tối đa của chiều cao hch_c bằng 2Rcos⁡2α22R\cos^2\frac{\alpha}{2}. Một cách dễ dàng

48

thấy rằng các giá trị của hàm hah_a và hbh_b điền vào khoảng ]0;2Rsin⁡2α[]0; 2R \sin^2 \alpha[.
Trong trường hợp đang được xem xét, 2Rsin⁡2α>2Rcos⁡2α22R \sin^2 \alpha > 2R \cos^2 \frac{\alpha}{2}.
Điều này có nghĩa là ở mức α≥π2\alpha \geq \frac{\pi}{2} không đạt được giá trị chiều cao tối đa.

bài toán này có thể được giải một cách dễ dàng hơn bằng cách sử dụng các cân nhắc hình học. Rõ ràng là ha≤ch_a \leq c và hb≤ch_b \leq c. Do đó, ở α<π2\alpha < \frac{\pi}{2} giá trị lớn nhất của hah_a và hbh_b bằng cc (Hình 9). Điều này có nghĩa là trong trường hợp này chúng ta cần chọn các số lớn hơn hch_c và cc. Khi α\alpha được cố định, c=2Rsin⁡αc = 2R \sin \alpha cũng được cố định. hch_c rõ ràng có giá trị lớn nhất trong một tam giác đều (Hình 10). Vì vậy, trong trường hợp đang xét, như trên, chúng ta cần chọn số lớn nhất trong các số 2Rcos⁡2α22R \cos^2 \frac{\alpha}{2} và 2Rsin⁡α2R \sin \alpha.

Nếu α≥π2\alpha \geq \frac{\pi}{2} thì ha≥hch_a \geq h_c và hb≥hch_b \geq h_c, hah_a và hbh_b không đạt giá trị lớn nhất bằng csin⁡(π−α)=2Rsin⁡2αc \sin(\pi - \alpha) = 2R \sin^2 \alpha (Hình 11).

Tất nhiên, người đọc chú ý nhận thấy rằng trong tất cả các bài toán được phân tích, chúng tôi đã không tuân theo các quy tắc từ đoạn 59 của sách “Đại số và sự khởi đầu của phân tích 9”. Về cơ bản, quy tắc này chỉ áp dụng cho trường hợp khoảng đóng. Nếu khoảng thời gian mở là như vậy, như trường hợp của hầu hết các bài toán của chúng ta, thì hành vi của các hàm trên khoảng này đòi hỏi phải có sự phân tích đặc biệt!

Vấn đề tương tự sẽ nảy sinh trong trường hợp khoảng thời gian vô hạn.

Tại nhà vợ

  1. Trong một đoạn parabol, dây cung vuông góc với trục đối xứng của các parabol (Hình 12), nội tiếp một hình chữ nhật có chu vi lớn nhất. (Độ dài hợp âm là 2a2a, chiều cao là hh).

Hình 12.

  1. Trong một tam giác có đáy aa và chiều cao hh, hãy nội tiếp một hình chữ nhật có chu vi lớn nhất, hai đỉnh của nó nằm trên đáy của tam giác.

  2. Tìm dây lớn nhất của hình elip x2a2+y2b2=1\frac{x^2}{a^2} + \frac{y^2}{b^2} = 1 đi qua B(0;−b)B(0; -b).

  3. Tìm khoảng cách lớn nhất và nhỏ nhất từ ​​một điểm nằm trên đường kính của vật thu được đến các điểm của hình bán nguyệt giới hạn nó. Câu hỏi tương tự cho đoạn tròn.

5 (DSU, Khoa Sinh học, 1978). Tìm giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của hàm y=sin⁡2x−xy = \sin 2x - x trên [0; π\pi].

6 (LSU, Khoa Toán ứng dụng - Quy trình điều khiển, 1977). Với những giá trị nào của tham số pp là giá trị nhỏ nhất của tam thức bậc ba x3−2px2+1x^3 - 2px^2 + 1 trên khoảng [0;1][0; 1] đạt được ở đầu bên phải của khoảng?

7 (KhSU, khoa vật lý, 1978). Tìm giá trị nhỏ nhất của hàm y=1x+q26−xy = \frac{1}{x} + \frac{q^2}{6 - x} trên khoảng [2; 3] tùy thuộc vào tham số qq.