用同样长的绳子分别围长方形、正方形、圆,面积从小到大的排列是()(\quad)
A. 圆<<正方形<<长方形
B. 正方形<<长方形<<圆
C. 圆>>正方形>>长方形
D. 长方形<<正方形<<圆

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完整解法

1. 用统一的周长 $C$ 表示出圆和正方形的面积

设绳子的长度(即各图形的周长)均为 CC (C>0C > 0)。

  • 对于圆,周长 C=2πrC = 2\pi r,可得半径 r=C2πr = \frac{C}{2\pi}。
    则圆的面积为:
    S圆=πr2=π(C2π)2=C24πS_{\text{圆}} = \pi r^2 = \pi \left(\frac{C}{2\pi}\right)^2 = \frac{C^2}{4\pi}
  • 对于正方形,周长 C=4aC = 4a,可得边长 a=C4a = \frac{C}{4}。
    则正方形的面积为:
    S正方形=a2=(C4)2=C216S_{\text{正方形}} = a^2 = \left(\frac{C}{4}\right)^2 = \frac{C^2}{16}

2. 表示长方形的面积并与正方形的面积进行比较

设长方形的相邻两边长分别为 xx 和 yy(假设长方形不为正方形,即 x≠yx \neq y),则有 2(x+y)=C  ⟹  x+y=C22(x+y) = C \implies x+y = \frac{C}{2}。
根据基本不等式,当 x≠yx \neq y 时,有:

ight)^2 = \left(\frac{C}{4}\right)^2 = \frac{C^2}{16}$$ 由于长方形的面积为 $S_{\text{长方形}} = xy$,所以有: $$S_{\text{长方形}} < S_{\text{正方形}}$$

3. 比较圆与正方形的面积并得出最终大小排列

比较圆和正方形面积表达式的系数:
因为 π≈3.14\pi \approx 3.14,所以 4π≈12.56<164\pi \approx 12.56 < 16。
由此可得:
14π>116  ⟹  C24π>C216\frac{1}{4\pi} > \frac{1}{16} \implies \frac{C^2}{4\pi} > \frac{C^2}{16}
即 S圆>S正方形S_{\text{圆}} > S_{\text{正方形}}。
结合第二步结论 S长方形<S正方形S_{\text{长方形}} < S_{\text{正方形}},可得三者面积从小到大的排列顺序为:
S长方形<S正方形<S圆S_{\text{长方形}} < S_{\text{正方形}} < S_{\text{圆}}
故选 D。

答案

D

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