主要内容:
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:
m²/4+n²/3=1,
设m=2sint,n=√3cost,t∈[0,π/2],
代入周长表达式得:
C=4(2sint+√3cost)
=4*√7[(2/√7)sint+(√3/√7)cost]
=4*√7sin(t+φ),其中tanφ=√3/4.
可知当sin(t+φ)=1时,周长有最大值,即:
Cmax=4*√7.
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)²/4+n²/3=1,
3(C/4-n)²+4n²=12,
16*7n²-24Cn+3C²+16*4*n²-16*12=0,
看成为n的二次方程,由判别式得:
(24C)²-4*16*7(3C²-16*12)≥0,即:
C²≤16*7,可得Cmax=4*√7.
方法三:多元函数法
设F(m,n)=4(m+n)-λ(m²/4+n²/3-1),
分别求F对m,n,λ的偏导数为:
Fx=4-2mλ/4,Fy=4-2nλ/3,
Fλ= m²/4+n²/3-1。
令Fx=Fy=Fλ=0,则m/4=n/3,
代入m²/4+n²/3-1=0,则:
m=4/√7,n=3/√7;则
周长Cmax
=4*(4/√7+3/√7)
=4*√7。