如下图所示,一个大长方形被分割为九个小长方形,其中五个小长方形的周长分别为 10、12、14、16 和 18 厘米,在图中已将此数值标记在它的内部. 请问大长方形的面积最大可能是多少平方厘米?
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1216
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完整解法

1. 用未知数表示各行的高与各列的宽,并将已知周长转化为半周长等式

设从左到右三列的宽度分别为 x1,x2,x3x_1, x_2, x_3,从上到下三行的高度分别为 y1,y2,y3y_1, y_2, y_3。
长方形的周长 P=2(长+宽)P = 2(\text{长} + \text{宽}),故半周长等于长与宽之和。
由题意可得各已知小长方形的半周长:
第一行第一列:x1+y1=10÷2=5x_1 + y_1 = 10 \div 2 = 5
第一行第三列:x3+y1=18÷2=9x_3 + y_1 = 18 \div 2 = 9
第二行第一列:x1+y2=12÷2=6x_1 + y_2 = 12 \div 2 = 6
第二行第二列:x2+y2=16÷2=8x_2 + y_2 = 16 \div 2 = 8
第三行第一列:x1+y3=14÷2=7x_1 + y_3 = 14 \div 2 = 7

2. 用单一变量 $x_1$ 表示所有行高与列宽

将所有变量用 x1x_1 表示:
y1=5−x1y_1 = 5 - x_1
y2=6−x1y_2 = 6 - x_1
y3=7−x1y_3 = 7 - x_1
x2=8−y2=8−(6−x1)=x1+2x_2 = 8 - y_2 = 8 - (6 - x_1) = x_1 + 2
x3=9−y1=9−(5−x1)=x1+4x_3 = 9 - y_1 = 9 - (5 - x_1) = x_1 + 4

因边长均为正数,需满足 5−x1>05 - x_1 > 0 且 x1>0x_1 > 0,即 0<x1<50 < x_1 < 5。

3. 计算大长方形的总宽度与总高度,写出总面积的二次函数表达式

大长方形的总宽度 X=x1+x2+x3=x1+(x1+2)+(x1+4)=3x1+6X = x_1 + x_2 + x_3 = x_1 + (x_1 + 2) + (x_1 + 4) = 3x_1 + 6
大长方形的总高度 Y=y1+y2+y3=(5−x1)+(6−x1)+(7−x1)=18−3x1Y = y_1 + y_2 + y_3 = (5 - x_1) + (6 - x_1) + (7 - x_1) = 18 - 3x_1

大长方形的总面积为:
A(x1)=X⋅Y=(3x1+6)(18−3x1)=9(x1+2)(6−x1)=9(−x12+4x1+12)A(x_1) = X \cdot Y = (3x_1 + 6)(18 - 3x_1) = 9(x_1 + 2)(6 - x_1) = 9(-x_1^2 + 4x_1 + 12)

4. 利用配方法求二次函数的最大值并验证可行性

对 A(x1)A(x_1) 进行配方:
A(x1)=−9(x12−4x1−12)=−9[(x1−2)2−16]=144−9(x1−2)2A(x_1) = -9(x_1^2 - 4x_1 - 12) = -9[(x_1 - 2)^2 - 16] = 144 - 9(x_1 - 2)^2

当 x1=2x_1 = 2 时,A(x1)A(x_1) 取得最大值 144144。
由于 x1=2x_1 = 2 在可行区间 0<x1<50 < x_1 < 5 内,此时各边长均大于零:
x1=2,x2=4,x3=6x_1 = 2, x_2 = 4, x_3 = 6;y1=3,y2=4,y3=5y_1 = 3, y_2 = 4, y_3 = 5,均符合题意。

因此,大长方形的最大面积为 144 cm2144\text{ cm}^2。

答案

大长方形的最大面积为 144 cm2144\text{ cm}^2

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