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楕円\ \bunsuu{x^2}{a^2}+\bunsuu{y^2}{b^2}=1\ (0,\ b0)に内接する長方形の面積の最大値を求めよ.$ \\   楕円に長方形が内接するとき,\ 各辺は$x$軸,\ $y$軸と平行をなす. \\[.2zh]   第1象限にある長方形の頂点の座標を$\textcolor{red}{(p,\ q)\ (p0,\ q0)}$とする. \\[.5zh]   このとき,\ $\textcolor{cyan}{\bunsuu{p^2}{a^2}+\bunsuu{q^2}{b^2}=1}\ \cdots\cdots\maru1$\ が成立する. \\\\   $ここで,\ \bunsuu{x^2}{a^2}0,\ \bunsuu{y^2}{b^2}0\ より,\ \maru1に\ \textcolor{blue}{(相加平均)\geqq(相乗平均)}\ を適用すると$ \\[.5zh] \centerline{$\textcolor{red}{\bunsuu{p^2}{a^2}+\bunsuu{q^2}{b^2}\geqq2\ruizyoukon{\bunsuu{p^2}{a^2}\cdot\bunsuu{q^2}{b^2}}} より \textcolor{cyan}{1}\geqq\bunsuu{2pq}{ab}    よって \textcolor{red}{pq\leqq\bunsuu{ab}{2}}$} \\\\   $よって (長方形の面積)=4\,\textcolor{red}{pq\leqq}\ 4\cdot\textcolor{red}{\bunsuu{ab}{2}}=2ab$ \\\\   $等号は\ \bunsuu{p^2}{a^2}=\bunsuu{q^2}{b^2}\ かつ\maru1のとき,\ つまり\ \textcolor{red}{p=\bunsuu{a}{\ruizyoukon2},\ \ q=\bunsuu{b}{\ruizyoukon2}}\ のとき成立する.$ \\\\[1zh] \centerline{$\therefore \bm{最大値\ 2ab}$} \\\\[.5zh] \centerline{{\small $\left[\textcolor{brown}{\begin{array}{l} 楕円に内接する長方形の各辺が座標軸と平行をなすことは自明としてよいだろう. \\[.2zh] 単純に頂点を文字でおいて面積を考える. \\[.2zh] このとき,\ 点(p,\ q)が楕円上にある条件\maru1が成立することを忘れない. \\[.2zh] すると,\ \bm{条件\maru1のもとでpqの最大値を求める}ことに帰着する. \\[.2zh] つまり,\ 条件つき2変数関数の最大問題である. \\[.2zh] 一般に,\ 次の状況で\bm{相加平均と相乗平均の関係A+B\geqq2\ruizyoukon{AB}\ (A0,\ B0)が有効}である. \\[.2zh] \bm{「和が一定のもとで積の最大を求める(本問)」「積が一定のもとで和の最小を求める」} \\[.2zh] 本問では,\ A=\bunsuu{p^2}{a^2},\ B=\bunsuu{q^2}{b^2}\ として適用すると,\ pqの最大が求まる. \\[1zh] 同時に面積の最小も求まるが,\ これで安心してはいけない.\ \bm{等号成立条件を確認}する必要がある. \\[.2zh] \leqq 2ab\ は2ab以下を意味するだけで,\ 最大値が2abまでは意味しないからである. \\[.2zh] 等号が成立するようなp,\ q\ (p0,\ q0)\ が存在して初めて最大値が2abと断定できる. \\[.2zh] 相加平均と相乗平均の関係の等号成立条件は\ \bm{A=B}\ である. \\[.2zh] \maru1と連立してp,\ qを求める.\ \ a,\ b,\ p,\ qはすべて正なので,\ \bunsuu{p^2}{a^2}=\bunsuu{q^2}{b^2}\ \Longleftrightarrow\ \bunsuu pa=\bunsuu qb\ である. \\[.8zh] q=\bunsuu bap\ として\maru1に代入すると \bunsuu{2p^2}{a^2}=1   よって\ \ p^2=\bunsuu{a^2}{2}\ \ より\ \ p=\bunsuu{a}{\ruizyoukon2} 楕円の媒介変数表示を利用}}] \\[.5zh]   楕円に長方形が内接するとき,\ 各辺は$x$軸,\ $y$軸と平行をなす. \\[.2zh]   $第1象限にある長方形の頂点の座標は\textcolor{red}{(a\cos\theta,\ b\sin\theta)\ \left(0\theta\bunsuu{\pi}{2}\right)}とおける.$ \\[1zh]   $(長方形の面積)=2a\cos\theta\cdot2b\sin\theta=\textcolor{red}{2ab\sin2\theta}$ \\[1zh]   $02\theta\pi\ より,\ \sin2\theta\ は\ 2\theta=\bunsuu{\pi}{2}\ のとき,\ つまり\textcolor{red}{\theta=\bunsuu{\pi}{4}\ のとき最大値1}をとる.$ \\\\[.5zh] \centerline{$\therefore \textcolor{red}{\left(a\cos\bunsuu{\pi}{4},\ b\sin\bunsuu{\pi}{4}\right)}=\left(\bunsuu{a}{\ruizyoukon2},\ \bunsuu{b}{\ruizyoukon2}\right)\ のとき \bm{最大値\ 2ab}$} \\\\\\ \centerline{{\small $\left[\textcolor{brown}{\begin{array}{l} 楕円上の点に着目して議論する場合,\ 楕円の媒介変数表示も有効である. \\[.2zh] 楕円の式\ \bunsuu{x^2}{a^2}+\bunsuu{y^2}{b^2}=1\ と三角関数の相互関係\ \cos^2\theta+\sin^2\theta=1\ を見比べる. \\[1zh] \bunsuu xa=\cos\theta,\ \bunsuu yb=\sin\theta\ より,\ \bm{楕円の媒介変数表示\ (x,\ y)=(a\cos\theta,\ b\sin\theta)}\ が導かれる. \\[.8zh] 媒介変数表示により,\ 面積が\bm{\theta\,の1変数関数に帰着}する. \\[.2zh] 2倍角の公式\ \sin2\theta=2\sin\theta\cos\theta\ を逆に用いることで変数\,\theta\,を1箇所に集められる. \\[.2zh] 後は\sin2\theta\,の最大を考えればよい.