通过三角函数换元法、二次方程判别式和多元函数导数法,介绍求椭圆内接矩形的最长周长。
方法一:三角换元法
设矩形与椭圆在第一象限的交点为A(m,n),则:
则矩形的周长C=4(m n),又因为点A在椭圆上,有:
m^2/2 n^2=1,
设m=√2sint,n=cost,t∈[0,π/2],
代入周长表达式得:
C=4(√2sint cost)
=4*√3 [(√2/√3)sint (1/√3)cost]
=4*√3sin(t φ),其中tanφ=√1/2.
可知当sin(t φ)=1时,周长有最大值,即:
Cmax=4*√3.
方法二:判别式法
∵C=4(m n),
∴m=C/4-n,代入椭圆方程得:
(C/4-n)^2/2 n^2=1,
(C/4-n)^2 2n^2=2,
16*3n^2-8Cn C^2 16*2*n^2-16*2=0,
看成为n的二次方程,由判别式得:
(8C)^2-4*16*3(C^2-16*2)≥0,即:
C^2≤16*3,可得Cmax=4*√3.
方法三:多元函数法
设F(m,n)=4(m n)- λ(m^2/2 n^2/1-1),
分别求F对m,n,λ的偏导数为:
Fx=4-2mλ/2,Fy=4-2nλ,
Fλ= m^2/2 n^2-1。
令Fx=Fy=Fλ=0,则m/2=n,
代入m^2/2 n^2-1=0,则:
m=2/√3,n=1/√3;则
周长Cmax
=4*(2/√3 1/√3)
=4*√3。
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