如图,在直径为
1 的圆
O 中,作一关于圆心对称,邻边互相垂直的十字形,其中
y>x>0.
(1) 将十字形的面积表示为
θ 的函数;
(2)
θ 为何值时,十字形的面积最大?最大面积是多少?
\begin{solution}
\begin{enumerate}
\item 设图中十字形的横、纵两个长方形的长边均为
y,短边均为
x. 两个长方形的公共部分是边长为
x 的正方形,所以十字形面积为
S=2xy−x2.
由图中半径方向形成的直角三角形及圆的直径为
1,有
x=cosθ,
y=sinθ. 条件
y>x>0 给出
4π<θ<2π,故
S(θ)=2sinθcosθ−cos2θ.
\item 对上式求导,得
S′(θ)=2cos2θ+sin2θ.
在
4π<θ<2π 内,令
S′(θ)=0,则
2cos2θ+sin2θ=0.
因为
2π<2θ<π,所以
sin2θ=52,
cos2θ=−51. 因而
θ=4π+21arccos52.
此时
S=sin2θ−cos2θ=52−21+cos2θ=52−21−51=25−1
区间端点不属于定义域;当
θ→4π+ 和
θ→2π− 时,面积分别趋于
21 和
0,均小于上述驻点处的面积. 又上述驻点唯一且导数由正变负,所以该值为最大面积.
\end{enumerate}
\end{solution}