(1) 2辺の長さを 1 , a 1,a 1 , a (a > 0 a>0 a > 0 ),その間の角を θ \theta θ とする。面積は S = a 2 sin θ ≦ a 2 \displaystyle
S=\frac{a}{2}\sin\theta\leq\frac{a}{2} S = 2 a sin θ ≦ 2 a であり,等号は θ = π / 2 \theta=\pi/2 θ = π /2 のときに成り立つ。このとき余弦定理から,残りの辺の長さ c c c は c 2 = 1 + a 2 − 2 a cos θ = 1 + a 2 , c = a 2 + 1 . c^2=1+a^2-2a\cos\theta=1+a^2,
\qquad c=\sqrt{a^2+1}. c 2 = 1 + a 2 − 2 a cos θ = 1 + a 2 , c = a 2 + 1 .
(2) 残りの辺を x > 0 x>0 x > 0 とする。問題文は4辺の並び順を指定していないので,まず辺の順序を固定して考える。辺の長さを順に p , q , r , s p,q,r,s p , q , r , s とし,対角線 A C = z AC=z A C = z で2つの三角形に分ける。ϕ = ∠ A B C \phi=\angle ABC ϕ = ∠ A B C ,ψ = ∠ A D C \psi=\angle ADC ψ = ∠ A D C とすると,2つの三角形の面積の和を K ( z ) K(z) K ( z ) と書ける。余弦定理より cos ϕ = p 2 + q 2 − z 2 2 p q , cos ψ = r 2 + s 2 − z 2 2 r s . \displaystyle
\cos\phi=\frac{p^2+q^2-z^2}{2pq},
\qquad
\cos\psi=\frac{r^2+s^2-z^2}{2rs}. cos ϕ = 2 pq p 2 + q 2 − z 2 , cos ψ = 2 r s r 2 + s 2 − z 2 . z z z が三角形の成立範囲を動くとき,ϕ , ψ \phi,\psi ϕ , ψ はともに増加し,その和は下端で π \pi π 未満,上端で π \pi π を超える。面積公式を z z z で微分すると K ′ ( z ) = z 2 ( cos ϕ sin ϕ + cos ψ sin ψ ) = z 2 sin ( ϕ + ψ ) sin ϕ sin ψ . \displaystyle
K'(z)=\frac z2\left(\frac{\cos\phi}{\sin\phi}+\frac{\cos\psi}{\sin\psi}\right)
=\frac z2\,\frac{\sin(\phi+\psi)}{\sin\phi\sin\psi}. K ′ ( z ) = 2 z ( sin ϕ cos ϕ + sin ψ cos ψ ) = 2 z sin ϕ sin ψ sin ( ϕ + ψ ) . したがって K K K は ϕ + ψ < π \phi+\psi<\pi ϕ + ψ < π の間増加し,ϕ + ψ > π \phi+\psi>\pi ϕ + ψ > π で減少する。固定した辺の順序で面積が最大になるのは ϕ + ψ = π \phi+\psi=\pi ϕ + ψ = π のときであり,この形は2つの三角形を対角線の反対側に置いて実現できる。
このとき余弦定理を2つの三角形に用いると z 2 = p 2 + q 2 − 2 p q cos ϕ = s 2 + r 2 + 2 r s cos ϕ , cos ϕ = p 2 + q 2 − r 2 − s 2 2 ( p q + r s ) . \displaystyle
z^2=p^2+q^2-2pq\cos\phi
=s^2+r^2+2rs\cos\phi,
\quad
\cos\phi=\frac{p^2+q^2-r^2-s^2}{2(pq+rs)}. z 2 = p 2 + q 2 − 2 pq cos ϕ = s 2 + r 2 + 2 r s cos ϕ , cos ϕ = 2 ( pq + r s ) p 2 + q 2 − r 2 − s 2 . また K = 1 2 ( p q + r s ) sin ϕ , \displaystyle
K=\frac12(pq+rs)\sin\phi, K = 2 1 ( pq + r s ) sin ϕ , ゆえに,半周長 m = ( p + q + r + s ) / 2 m=(p+q+r+s)/2 m = ( p + q + r + s ) /2 を用いて K 2 = 4 ( p q + r s ) 2 − ( p 2 + q 2 − r 2 − s 2 ) 2 16 = ( ( r + s ) 2 − ( p − q ) 2 ) ( ( p + q ) 2 − ( r − s ) 2 ) 16 = ( m − p ) ( m − q ) ( m − r ) ( m − s ) . \displaystyle
K^2=\frac{4(pq+rs)^2-(p^2+q^2-r^2-s^2)^2}{16}
=\frac{\bigl((r+s)^2-(p-q)^2\bigr)\bigl((p+q)^2-(r-s)^2\bigr)}{16}
=(m-p)(m-q)(m-r)(m-s). K 2 = 16 4 ( pq + r s ) 2 − ( p 2 + q 2 − r 2 − s 2 ) 2 = 16 ( ( r + s ) 2 − ( p − q ) 2 ) ( ( p + q ) 2 − ( r − s ) 2 ) = ( m − p ) ( m − q ) ( m − r ) ( m − s ) . 右辺は4辺の長さだけで決まり,並び順に依らない。よって,2辺が 1 1 1 ,他の1辺が a a a ,残りが x x x の場合も,最大面積の2乗は K 2 = ( a + x 2 ) 2 ( 2 + x − a 2 ) ( 2 + a − x 2 ) = ( a + x ) 2 ( 4 − ( x − a ) 2 ) 16 . \displaystyle
K^2=\left(\frac{a+x}{2}\right)^2
\left(\frac{2+x-a}{2}\right)
\left(\frac{2+a-x}{2}\right)
=\frac{(a+x)^2\bigl(4-(x-a)^2\bigr)}{16}. K 2 = ( 2 a + x ) 2 ( 2 2 + x − a ) ( 2 2 + a − x ) = 16 ( a + x ) 2 ( 4 − ( x − a ) 2 ) . 四角形が退化せずに存在する条件は x > 0 x>0 x > 0 かつ ∣ x − a ∣ < 2 |x-a|<2 ∣ x − a ∣ < 2 である。t = x − a t=x-a t = x − a とおくと K 2 = ( 2 a + t ) 2 ( 4 − t 2 ) 16 , d ( K 2 ) d t = 2 a + t 4 ( 2 − a t − t 2 ) . \displaystyle
K^2=\frac{(2a+t)^2(4-t^2)}{16},
\qquad
\frac{d(K^2)}{dt}=\frac{2a+t}{4}(2-at-t^2). K 2 = 16 ( 2 a + t ) 2 ( 4 − t 2 ) , d t d ( K 2 ) = 4 2 a + t ( 2 − a t − t 2 ) . ここで 2 a + t = a + x > 0 2a+t=a+x>0 2 a + t = a + x > 0 。方程式 2 − a t − t 2 = 0 2-at-t^2=0 2 − a t − t 2 = 0 の解は t ± = − a ± a 2 + 8 2 . \displaystyle
t_\pm=\frac{-a\pm\sqrt{a^2+8}}{2}. t ± = 2 − a ± a 2 + 8 . t − < − a t_-<-a t − < − a なので許される範囲に入らない。一方,t + > 0 t_+>0 t + > 0 であり,t + 2 + a t + = 2 t_+^2+at_+=2 t + 2 + a t + = 2 から t + < 2 < 2 t_+<\sqrt2<2 t + < 2 < 2 だから t + t_+ t + は許される。導関数は t + t_+ t + の前で正,後で負となるので,ここで面積は最大となる。したがって x = a + t + = a + a 2 + 8 2 . \displaystyle
x=a+t_+=\boxed{\frac{a+\sqrt{a^2+8}}{2}}. x = a + t + = 2 a + a 2 + 8 . この導出は4辺の順序を固定した場合に得る面積式が対称であることを示しているため,長さ1の2辺が隣り合うか向かい合うかのどちらでも同じ結論になる。