Раздел II. Дифференциальное исчисление функций одной переменной — § 13. Задачи на максимум и минимум функций
Демидович — задача 1566
Б. П. Демидович, «Сборник задач и упражнений по математическому анализу». Условие, подробное решение и ответ.
Задача 1566
В треугольник с основанием b и высотой h вписать прямоугольник с наибольшим периметром. Исследовать возможность решения этой задачи.
ВыводПри стороне на заданном основании и допустимости этой конструкции максимум существует только при b=h и равен 2b. Без ограничения ориентации максимума нет; точная верхняя граница равна 2L, где L — наибольшая сторона треугольника.
Решение
Пусть высота прямоугольника y, 0<y<h, а ширина x. По подобию верхнего треугольника исходномуbx=hh−y,x=b(1−hy).Его периметрP(y)=2(x+y)=2b+2y(1−hb).Если h>b, он строго возрастает; его верхняя граница 2h получается при y→h−, когда ширина стремится к нулю. Если h<b, периметр строго убывает; верхняя граница 2b получается при y→0+. В обоих случаях невырожденного прямоугольника с наибольшим периметром нет. Если h=b, для всех 0<y<h получаем один и тот же периметр 2b, и любой такой прямоугольник подходит.
Если положение сторон прямоугольника относительно выбранного основания не ограничено, ответ иной: наибольший периметр не достигается ни в одном треугольнике. Докажем это отдельно. У четырёх вершин вписанного прямоугольника хотя бы две лежат на одной из трёх сторон треугольника. Они соседние, поскольку прямая через противоположные вершины разделяла бы две другие по разные стороны, тогда как весь треугольник лежит по одну сторону от своей стороны. Значит, одна сторона прямоугольника лежит на некоторой стороне треугольника длины s.
Обозначим соответствующую высоту через hs, высоту прямоугольника — через z∈(0,hs). Уже выведенная формула даёт2P=s(1−hsz)+hshsz.Это среднее двух чисел s,hs с положительными весами, сумма которых равна 1. Пусть L — наибольшая сторона треугольника. Тогда s⩽L и hs⩽L, поскольку высота не длиннее прилегающей стороны. Равенства s=hs=L одновременно невозможны: при высоте, равной основанию, хотя бы одна из двух остальных сторон была бы длиннее основания. Поэтому P<2L.
Ответ: при стороне на заданном основании максимум существует ровно в случае b=h и равен 2b; при b=h он не достигается. Если разрешены все ориентации, максимум не достигается, а точная верхняя граница равна удвоенной наибольшей стороне треугольника.