在等腰三角形 ABCABC 中,AC=BCAC = BC,AB=20 cmAB = 20\text{ cm},且 ∠BAC=30∘\angle BAC = 30^\circ。一个矩形 PQRSPQRS 内接于 ABCABC,其中顶点 PP 和 QQ 在 ABAB 上,顶点 RR 在 BCBC 上,顶点 SS 在 ACAC 上,如图所示。 设 PSPS 为 x cmx\text{ cm},证明 PQRSPQRS 的面积可以表示为 20x−23x220x - 2\sqrt{3}x^2。 由此,当 xx 变化时,求使得 PQRSPQRS 面积最大时 PSPS 和 PQPQ 的精确值,并求出 PQRSPQRS 的对应面积。

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完整解法

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1. Relate the base lengths $AP$ and $QB$ to $x$.

In the right-angled triangle APSAPS,
tan⁡30∘=PSAP\tan 30^\circ = \frac{PS}{AP}
AP=xtan⁡30∘=x÷13=3xAP = \frac{x}{\tan 30^\circ} = x \div \frac{1}{\sqrt{3}} = \sqrt{3}x
Since AC=BCAC = BC, triangle ABCABC is isosceles, which means ∠ABC=∠BAC=30∘\angle ABC = \angle BAC = 30^\circ.
In the right-angled triangle BQRBQR, QR=PS=xQR = PS = x, so
tan⁡30∘=QRQB  ⟹  QB=3x\tan 30^\circ = \frac{QR}{QB} \implies QB = \sqrt{3}x

2. Express the length of $PQ$ and show the given area of the rectangle.

The length of the rectangle is PQPQ.
PQ=AB−AP−QB=20−3x−3x=20−23xPQ = AB - AP - QB = 20 - \sqrt{3}x - \sqrt{3}x = 20 - 2\sqrt{3}x
The area of the rectangle PQRSPQRS is given by A=PQ×PSA = PQ \times PS.
A=(20−23x)x=20x−23x2 (shown)A = (20 - 2\sqrt{3}x)x = 20x - 2\sqrt{3}x^2 \text{ (shown)}

3. Differentiate the area with respect to $x$ to find the stationary point.

Let A=20x−23x2A = 20x - 2\sqrt{3}x^2.
Differentiating with respect to xx:
dAdx=20−43x\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}x} = 20 - 4\sqrt{3}x
For a stationary point (maximum/minimum area), set dAdx=0\frac{\mathrm{d}A}{\mathrm{d}x} = 0:
20−43x=020 - 4\sqrt{3}x = 0
43x=20  ⟹  x=53=5334\sqrt{3}x = 20 \implies x = \frac{5}{\sqrt{3}} = \frac{5\sqrt{3}}{3}

4. Verify the nature of the stationary point and find exact values of $PS$ and $PQ$.

d2Adx2=−43\frac{\mathrm{d}^2A}{\mathrm{d}x^2} = -4\sqrt{3}
Since d2Adx2<0\frac{\mathrm{d}^2A}{\mathrm{d}x^2} < 0, the area AA is indeed a maximum when x=533x = \frac{5\sqrt{3}}{3}.
PS=x=533 cmPS = x = \frac{5\sqrt{3}}{3}\text{ cm}
PQ=20−23(533)=20−10=10 cmPQ = 20 - 2\sqrt{3}\left(\frac{5\sqrt{3}}{3}\right) = 20 - 10 = 10\text{ cm}

5. Calculate the corresponding maximum area.

Maximum Area=PS×PQ\text{Maximum Area} = PS \times PQ
=533×10=5033 cm2= \frac{5\sqrt{3}}{3} \times 10 = \frac{50\sqrt{3}}{3}\text{ cm}^2

答案

PS=533 cmPS = \frac{5\sqrt{3}}{3}\text{ cm}, PQ=10 cmPQ = 10\text{ cm}, Maximum Area =5033 cm2= \frac{50\sqrt{3}}{3}\text{ cm}^2

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