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問:周囲が一定の扇形の面積を最大にするには、中心角をいくらにすればよいか。
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という、非常に完結で短い問題なのですが、教科書には「2ラジアン」という解答だけしか記載されていないので、
導き方や2ラジアンになる理由などが全然わかりません(;_;)
どうして2ラジアンになるのか教えていただきたい次第です。
よろしくお願いします<m(__)m>
この問題を
「面積を最大」「中心角をいくらに」から
「面積を中心角で微分する問題」とあたりをつけましょう
あとは具体的な手順を探すだけです
1.周囲の長さを定数L、半径をr、中心角をθ、面積をSとおく。0≦θ≦2π
2.θを変数とする式でrを表す―式1
3.rを変数とする式でSを表す―式2
4.式2に式1を代入し、θを変数とする式でSを表す―式3
5.式3の両辺をθで微分して、dS/dθを求める
6.dS/dθ=0となるθ1、θ2、θ3...を求める
7.式3のθにθ1、θ2、θ3...と、0、2πを代入
他に特異点が生じていればその周辺も調べ、Sを最大とするθを選ぶ
dS/dθは(θの二次式)/(θの四次式)になります
そのものずばりを書いてもいいのですが…頑張ってください
高校の時以来、数学に触れていなかったもので、扇型の弧長とか面積の公式さえ忘れていました・・・。
imo758さんや他の方の回答、
扇形の面積の求め方
http://web2.incl.ne.jp/yaoki/a_k15.htm
弧度法の基礎
http://yosshy.sansu.org/radian.htm
円周率と弧度法
http://nkiso.u-tokai.ac.jp/math/nakamura/jyugyo/index.htm
等を参考にして、「5.」までは到達できたのですが、θの微分で躓いています(;_;)
周囲が一定ということは半径はかわるです。周囲一定のとき扇形の半径は中心角の関数です。中心角をγラジアンとする
周囲A=r+r+2rπ*γ/2π=2r(1+γ/2)をとくとr=A/2(1+γ/2)、これを面積式に代入。
面積S=πr二乗*(γ/2π)=r二乗*γ/2です。1/(1+γ/2)をGとおいてといていく。Aが定数だからGのたんなる二次関数になって、Gが1/2であるときに極大です。あとはG=1/2を解くだけ。
すいません、理解力が乏しく、返信が遅くなってしましました<m(__)m>
2rπ*y/2πは、弧長の長さですね。Aを面積式に代入してみました。
S=r^2・y/2
=A/{2(1+y/2)}^2・y/2
=A/4(1+y/2)^2・y/2
=A/4・1/(1+y/2)^2・y/2
=(1/1+y/2)^2・A/4・y/2
ここで、NAPORINさんがおっしゃるように、1/(1+y/2)をGと置いてみたのですが、
=G^2・A/4・y/2
となり、ここで「えっ?」と思ってしまいました(>_<)
Gの二次関数だとは思うのですが、yラジアンも変数ですし、ここから一体、どうすれば「Gは1/2のときに極大!」と、判断できるのでしょうか?
たびたびすいません。
丁寧に説明するとかえって身に付かないので計算過程は省略します。
まず扇形の角を x とおき、扇形の面積を f(x) とおきます。半径を ax とおくと弧の長さは ax2 になります。周囲の長さを b とおくと
ax2+2ax=b …(1)
になります。次に扇形の面積を求め(1)を代入します。これを x で微分して
df/dx=0
の解を求めます(途中でまた等式(1)を使い b を消します/これは f(x) が極値をとる x を求めているのです)。最後に求めた解が適切なものか確認します。
確かに、半径をaxとすると、
2axπ・x/2π
=ax^2
が出てきました!
扇型の面積は、「1/2×半径の2乗×ラジアン」あるいは「1/2×半径×弧長」らしい
http://detail.chiebukuro.yahoo.co.jp/qa/question_detail/q1023021...
ので、
f(x)=(1/2)ax^2x
もしくは、
f(x)=(1/2)ax・ax^2
に、bを代入すると。
f(x)
=(1/2)ax(b-2ax)
=(1/2)axb-(ax)^2
=(1/2)ax(ax^2+2ax)-(ax)^2
=(1/2)a^2x^3+a^2x^2-a^2x^2
=(1/2)a^2x^3
df/dx
=(1/2)a^2lim[Δx→0](x+Δx)^3-x^3/Δx
=(1/2)a^2lim[Δx→0]x^3+3x^2Δx+3xΔx^2-x^3/Δx
=(1/2)a^2lim[Δx→0]3x^2+xΔx
=(1/2)a^2・3x^2
が、求まったのですが・・・ここから、どうすれば2ラジアンという解答を導けるのでしょうか?
すいません、もう1度ヒントをお願いします(>_<)
半径:r
中心角:θ (rad)
弧の長さ:L = rθ
周辺の長さ:S = L + 2r = (2 + θ) r
扇形の面積:A = 1/2 r^2 θ ...eq.1
周辺の長さの式から
r = S / (2 + θ) (S:定数) ...eq.2
面積最大なので
dA/dθ = 0 (dは偏微分の記号)
eq.2をeq.1に代入して
dA/dθ = d{1/2 x S^2/(2 + θ)^2 x θ}/dθ
= s^2/2 {1/(2 + θ)^2 - 2θ/(2 + θ)^3} = 0
1/(2 + θ)^2 - 2θ/(2 + θ)^3 = 0
(2 + θ) - 2θ = 0
2 - θ = 0
∴ θ = 2
回答ありがとうございます!
でもすいません、 途中までは理解できたのですが、
d{1/2 x S^2/(2 + θ)^2 x θ}/dθ
= s^2/2 {1/(2 + θ)^2 - 2θ/(2 + θ)^3} = 0
という箇所がよくわかりません(>_<)
dA/dθというのは、「Aをθで微分する」という意味だと思うのですが、そのAを微分しようと試みたところ、
A=1/2 r^2 θ
=1/2・(s/2+θ)^2・θ
ここでわからなくなってしまいました・・・。
1/2は係数なので無視できると思うのですが、「(s/2+θ)^2・θ」の微分は、
どうすればできるのでしょうか?
すいません、お気が向かれましたら、再度ご回答よろしくお願いします<m(__)m>
扇形の中心角をx[rad]、半径をy、周囲の長さをL、面積をSとすると、
(周囲の長さL)=(弧の長さ)+2×(半径)
xy+2y=L=Const.・・・①
S=xy^2/2・・・②
①から、
xy=L-2y・・・③
これを②に代入して、
S=y(L-2y)/2=(L/2)y-y^2・・・④
dS/dy=(L/2)-2y=0
∴y=L/4・・・⑤
④はy-Sグラフで、上に凸の放物線だから、このとき、極大。
また、⑤を③に代入して、
x(L/4)=L-2(L/4)
∴Lx=4L-2L=2L
∴x=2
よって、x=2[rad]のとき、最大値をとる。
(別解)
xy+2y=L=Const.・・・①
S=xy^2/2・・・②
ラグランジュの未定乗数法から、λ:ラグランジュの乗数として、
F=(xy^2/2)+λ(xy+2y-L)とおけば、
Fx=(y^2/2)+λ(y)=0
Fy=(x/2)2y+λ(x+2)=0
∴
y^2+λ(2y)=0・・・③
xy+λ(x+2)=0・・・④
③,④から、λを消去すれば、
|y^2 2y |=0 |xy x+2 | ∴ |y 2 |y=0 |xy x+2 | ∴ |1 2 |y^2=0 |x x+2 |
y≠0より、
x+2=2x
∴x=2
※参考URL
●数学の公式集 No.003 幾何図形 扇形の面積と円弧の長さ
http://www.lancemore.jp/mathematics/math_003.html
●ラグランジュの乗数
http://www004.upp.so-net.ne.jp/s_honma/derivative/lagrange.htm
S=y(L-2y)/2=(L/2)y-y^2・・・④
で一瞬、躓きましたが、
y(L-2y)/2
=yL-2y^2/2
=(L/2)y-y^2
と、ただ普通に展開すればいいんですよね、はぁ~こんな所で「えっ?」と思う自分が情けないです(汗)
「ラグランジュの未定乗数法」と呼ばれる得体の知れない方法は、rsc96074さんが紹介してくださったリンクを参照しても、
さっぱり理解できませんでした(;_;)
これで解決!大学数学 ラグランジュの未定乗数法の巻 1.2.1
http://download.goo.ne.jp/software/contents/soft/win95/edu/se443...
と呼ばれるものをチラっと見てみたのですが、どうやら「偏微分」の知識が必要みたいで。
もう少し微分を勉強してから、ラグランジュに取り組みたいと思います。
どうもありがとうございました!
弧長ではなく周囲が一定ですね。
中心角をθ、半径をrとし、弧長をLとすると
L=rθ
です。
ということは扇形の周囲はrθ+2rです。
これが一定なので定数Cとしましょう。
つまり
C=rθ+2r
となります。
すると扇形の面積Sは
となります。
普通はこれをθで微分して極値となるθを求めてその極値が最大値であることを確かめます。
しかし有理関数の微分は地味に面倒です。
分母と分子をθで割れば
となりますので分母が最小の時、面積は最大になることがわかります。
相加相乗平均の不等式より
つまり
ですから
となり、分母の最小値は24です。
最小となる等式が成り立つのは
の時ですからθが2のとき面積が最大になります。
相加平均と相乗平均について勉強していたので返信が遅くなりました、すいません(>_<)
ココ↓
http://www.2960fukurou.co.jp/e_semi/e-semi11201.html
を参考にすると、相加平均と相乗平均には、
a+b≧2√ab
という関係が成り立つことがわかりました。
ただ、yo-kunさんが書いてくださった、
(2θ)(8/θ)≦2θ+8/θ
は、いったいどれをaに、どれをbとして想定して導いたのかが、わからないのです(;_;)
初歩的な質問ですいません、yo-kunさんが書いてくださった解答の中で、
相加平均・相乗平均の関係式のaとbに相当する値は、何なのでしょうか?
ここで商の微分は(参考:http://cfv21.web.fc2.com/cfv21/math/quotderiv.htm)
ですからに
、
に
を代入して...
ひとまずここまでにしておきます。またわからなければどうぞ。
ありがとうございます。
imo758さんの回答を参考に、θでの微分を試みました。
f=L^2θ
f´=L^2
g=2(θ+2)^2
=2(θ^2+4θ+4)
=2θ^2+8θ+8
g´=4θ+8
(f/g)´=L^2・(2θ^2+8θ+8) - L^2θ・(4θ+8) / {2(θ+2)^2}^2
=L^2・(2θ^2+8θ+8) - L^2θ・(4θ+8) / (2θ^2+8θ+8)^2
度々すいません。
ここでずっと時間が止まっています(;_;)
ここからどう式を展開させて2ラジアンを導くのか、再度回答していただけないでしょうか?
ほんとすいません<m(__)m>
すみません。
相加相乗平均より~以降間違っています。
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相加相乗平均の不等式より
つまり
ですから
となり、分母の最小値は16です。
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が正しい記述です。
ここで、相加相乗平均の不等式においてa=2θ,b=8/θとして当てはめています。
混乱させてしまい申し訳ありません。
なるほどです!
分母「2θ+8/θ+8」を最小にするには、相加相乗平均の関係式で出てきた「8≦2θ+8/θ」の両辺に8を加えれば、右辺は分母に、左辺は16になって、θが2であることが判明しますね!
2度もご回答していただき、本当にありがとうございました<m(__)m>
単に変数を纏めるだけです。
ここまできたら、最初の回答の6番に戻れます。
ありがとうございます!
ここまで展開していただければ、dS/dθ=0となるθが「2」と「-2」であることがわかりました(^_^;)
0≦θ≦2ということで、θが2の時、Sは最大値を取ると。
よって、中心角が2ラジアンの時、扇型の面積は最大になる。
・・・すいません、何か自分の結論付けに違和感を感じるのですが、正しいでしょうか?
「2L^2(θ+2)(-θ+2)/(2θ^2+8θ+8)^2」というのは、四次関数ですよね?
ということは、θの解は4つ出てきて、θ=2以外の3つの解が、ds/dθを最大にする極大値を取らないことを証明しなければいけないような気がします。
もちろん、0≦θ≦2なので、θ=-2は消えると思うのですが、残り2つの解が、ds/dθを最大にする可能性も消さなければならないような・・・
そんな気がするのです。
ですが、「2L^2(θ+2)(-θ+2)/(2θ^2+8θ+8)^2」のような、4次方程式でしかも分数になってる複雑な式の解を全部出すのは無理そうですし、例え出てきたとしても、どの解が、極大値を取るθに相当するのかイメージできません(>_<)
余計な考えでしょうか?
必要ないでしょうか?
0≦θ≦2ということで、θが2の時、Sは最大値を取ると。
細かいことですが、 の最大値は
ではなく
です。あと今ようやく気づいたのですが、この問題は円は扇形に含めない流儀での話でした。よって
で考えなければいけません。拙筆回答1番の誤りを謝罪し訂正致します。
「2L^2(θ+2)(-θ+2)/(2θ^2+8θ+8)^2」というのは、四次関数ですよね?
細かいことですが、それ全体としては有理関数であり、四次関数ではありません。ただしその分母だけならば四次関数であり、分子だけならば二次関数です。
ということは、θの解は4つ出てきて、θ=2以外の3つの解が、ds/dθを最大にする極大値を取らないことを証明しなければいけないような気がします。
恐らく分母の根のことを気にされていると思います。ですが、 と纏まるので、根は
の四重根となります。つまり
です。しかしこれは…もうお分かりですね。蛇足ですが、これは拙筆回答8番へのmoon-fonduさんのお返事の中にある、もともと
だった部分です。ここは展開せずそのままのほうがよかったのです。
変な質問してすいません、分母だけに目がいってました。
私の疑問を1つ1つ、真剣に回答していただき本当にありがとうございます(^_^;)
3番目の回答者です
kamikunさんのコメントの通り、半径をaxと置くのは間違っていました。済みません。
まず扇形の角を x (≧0) とおき、扇形の面積を f(x) とおきます。半径を r(x) とおくと弧の長さは xr(x) になります。周囲の長さを b とおくと
xr(x)+2xr(x)=b …(1)
になります。次に扇形の面積を求め(1)を代入します。これを x で微分して
f'(x)=0
の解を求めます。これは f(x) が極値をとる x を求めているのです。最後に f''(2)<0 でグラフが上に凸になることを確認します。
すいません、うまくいかない感じです・・・(ToT)
周囲の長さbは、rsc96074さんの回答を参考にすると、半径r(x)×2と、弧長xr(x)を合わせたものということで、
xr(x)+2r(x)=b …(1)
になると思うのですが、axと置いた時と同じように計算を進めようとすると、
扇型の面積 = 1/2×半径×弧長
f(x) = 1/2×2r×xr
= xr^2
= (b - 2xr)^2 (∵xr = b - 2xr)
=b^2 - 4xrb + 4x^2r^2
=4x^2r^2 - 4xrb + b^2
=4r^2x^2 - 4rbx + b^2
df/dx
=lim[Δx→0]4r^2(x + Δx)^2 - 4r^2x^2/Δx - 4rb + b^2
=lim[Δx→0]4r^2(x^2 + 2xΔx + Δx^2) - 4r^2x^2/Δx - 4rb + b^2
=lim[Δx→0]4r^2x^2 + 8r^2xΔx + 4r^2Δx^2 - 4r^2x^2/Δx - 4rb + b^2
=lim[Δx→0]8r^2xΔx + 4r^2Δx^2/Δx - 4rb + b^2
=lim[Δx→0](8r^2x + 4r^2Δx) - 4rb + b^2
=8r^2x - 4rb + b^2
8r^2x - 4r(xr + 2r) + (xr + 2r)^2
=8r^2x - 4r^2x - 8r^2 + x^2r^2 + 4r^2x + 4r^2
=x^2r^2 + 8r^2x - 4r^2
=r^2(x^2 + 8x -4)
となり・・・f'(x)=0 を求めるのであれば、二次方程式「x^2 + 8x -4」の解を出せばいいと思うのですが、これは因数分解できるのでしょうか?
どこかで計算を間違ってるかもしれないのですが・・・何度やってもこの結果が出てきてしまいます(ToT)
解はいったい何なのでしょうか?
ありがとうございます!
ここまで展開していただければ、dS/dθ=0となるθが「2」と「-2」であることがわかりました(^_^;)
0≦θ≦2ということで、θが2の時、Sは最大値を取ると。
よって、中心角が2ラジアンの時、扇型の面積は最大になる。
・・・すいません、何か自分の結論付けに違和感を感じるのですが、正しいでしょうか?
「2L^2(θ+2)(-θ+2)/(2θ^2+8θ+8)^2」というのは、四次関数ですよね?
ということは、θの解は4つ出てきて、θ=2以外の3つの解が、ds/dθを最大にする極大値を取らないことを証明しなければいけないような気がします。
もちろん、0≦θ≦2なので、θ=-2は消えると思うのですが、残り2つの解が、ds/dθを最大にする可能性も消さなければならないような・・・
そんな気がするのです。
ですが、「2L^2(θ+2)(-θ+2)/(2θ^2+8θ+8)^2」のような、4次方程式でしかも分数になってる複雑な式の解を全部出すのは無理そうですし、例え出てきたとしても、どの解が、極大値を取るθに相当するのかイメージできません(>_<)
余計な考えでしょうか?
必要ないでしょうか?