Optimointitehtävä, kolmio ympyrän sisällä

Triangularix

Seuraavaan tehtävään olisi löydettävä mahdollisimman yksinkertainen ratkaisu:

Ympyrään, jonka säde on r, piirretään kolmio, jonka kulmapisteet ovat em. ympyrän kehällä. Osoitettava, että kolmion pinta-ala saa maksimiarvonsa, kun se on tasasivuinen, ts. sen kaikki sivut ovat yhtä pitkät.

25

1111

    Vastaukset

    Anonyymi (Kirjaudu / Rekisteröidy)
    5000
    • 17+8

      Merkataan kolmion kulmia x, y ja 180-x-y. Yhdistetään kolmion kärjet ympyrän keskipisteeseen jolloin tulee kolme tasakylkistä kolmiota joista kunkin yksi kulma on keskuskulma, edellä mainittu keskuskulma kaksinkertaisena. Nähdään että alkuperäisen kolmion ala on:
      A = r^2*(sinx*cosx siny*cosy sin(180-x-y)*cos(180-x-y)) = r^2*(sinx*cosx siny*cosy - sin(x y)*cos(x y))

      Kun derivoidaan x suhteen saadaan:
      DA/dx = r^2((cosx)^2 - (sinx)^2 -(cos(x y))^2 (sin(x y))^2)

      Muuntamalla kaikki sineiksi tai kosineiksi ja asettamalla derivaatta nollaksi saadaan
      (sinx)^2 = (sin(x y))^2 tai (cosx)^2 = (cos(x y))^2

      Nähdään että nuo toteutuvat soveltuvalla alueella kun x = y = 60 astetta, mikä todetaan maksimikohdaksi. Vastaava saadaan jos derivoidaan y suhteen.

    • 17+8

      Oikeastaan tuo menee helpoimmin kun piirrät ensin ympyrän sisään tasasivuisen kolmion. Sitten siirrät yhtä pistettä (kolmion kärkeä) sivuun ympyrän kehällä. Muodostuvassa uudessa kolmiossa on sama kanta kuin alkuperäisessä ja on aika yksinkertasista osoittaa, että kolmion korkeus on pienempi kuin alkuperäisessä.

      • 2+18

        Eikös tuo todista vain että tasakylkinen kolmio on suurin samankantaisista kolmioista?


      • 4+11

        "Sitten siirrät yhtä pistettä (kolmion kärkeä) sivuun ympyrän kehällä. "

        Minusta tämä ei ole yleispätevä menetelmä. Vaikka yhden pisteen siirtäminen pienetäisikin kolmiota, niin mikä takaa sen, että kahden pisteen siirtämisellä ei löydy suurempaa kolmiota? Ilmeisesti tasakylkisyyden voi osoittaa yhtä pistettä siirtämällä muttei tasasivuisuutta.


      • 2+18
        2+18 kirjoitti:

        Eikös tuo todista vain että tasakylkinen kolmio on suurin samankantaisista kolmioista?

        Jos saisi todistettua jotenkin niin että ottaa vuorotellen jokaisen sivun kannaksi?


      • 17+8
        4+11 kirjoitti:

        "Sitten siirrät yhtä pistettä (kolmion kärkeä) sivuun ympyrän kehällä. "

        Minusta tämä ei ole yleispätevä menetelmä. Vaikka yhden pisteen siirtäminen pienetäisikin kolmiota, niin mikä takaa sen, että kahden pisteen siirtämisellä ei löydy suurempaa kolmiota? Ilmeisesti tasakylkisyyden voi osoittaa yhtä pistettä siirtämällä muttei tasasivuisuutta.

        Joo, olet oikeassa. Eli tuolla menetelmällä voi osoittaa että kun yksi sivu (kanta) on annettu, tasakylkinen kolmio antaa suurimman alan ympyrän piirillä. Pitäisi osoittaa että tasakylkinen on suurin tuollaisista kolmioista. Trigonometrisesti aika helppoa mutta yhtäkkiä en kekkaa simppeliä geometrista konstia.


    • kakstapaa

      Tapa 1. Olkoot A, B ja C kolmion kärjet. Jos niiden ympäri piirretyn ympyrän säde ei ole r, niin homotetian avulla voidaan kolmio skaalata siten, että kärjet ovat r-säteisellä ympyrällä.

      Jos sivu AB on kiinteä, niin maksimiala saadaan kun AC=BC. Tämä siksi, että kun kanta on kiinnitetty, korkeus tulee maksimoitua kun C on mahdollisimman kaukana ja korkeus on C:n kulman puolittaja ja kohtisuorassa AB:tä vastaan.

      Koska jokainen sivu voidaan valita kannaksi ja toiset kaksi sivua tulee olla yhtä pitkiä, voidaan aina löytää parempi sivu kannaksi jos kolmio ei ole tasasivuinen.

      Tapa 2. Olkoon ABC kolmio, jonka ala on maksimaalinen. Kuten yllä, homotetian avulla nähdään, että A, B ja C sijaitsevat ympyrän kehällä. Oletetaan, että ABC ei ole tasasivuinen. Tällöin on olemassa kärki, vaikkapa A, siten, että sivun BC kanssa yhdensuuntainen A:n kautta kulkeva suora leikkaa ympyrän pisteessä E erisuuri kuin A. Valitaan piste P suoralta AE, joka ei ole A eikä E. Tällöin kolmion BPC ala on sama kuin kolmion ABC ala. Jatketaan BP leikkaamaan ympyrä pisteessä F. Tällöin kolmion BCF ala on aidosti suurempi kuin ABC:n ala ja tämä on ristiriita.

    • karush kuhn tucker!

      1) Formuloi minimointiprobleema (maksimoi kolmion pinta-ala)
      2) Muodosta lagrangiaani jossa rajoite-ehto mukana
      3) Osoita KKT-ehdoilla optimaalisuus

      • köh

        n-kulmio R-säteisessä ympyrässä.

        Olkoot keskuskulmat a(1),...a(n).
        Rajoite: a(1) ... a(n) = 2PI.

        Lagrange-funktio: Monikulmion alasta ja rajoitteesta:

        0.5 * R^2 * (sin(a(1) ) ... sin(a(n)) L * (2*PI - a(1) -...- a(n)).

        Lagrange-funktion osittaisderivaatta a(k) suhteen (k = 1,...,n):

        0.5 * R^2 * cos(a(k)) - L = 0, mistä

        cos(a(k) = 2*L/R^2 = vakio, joten keskuskulmat ovat yhtäsuuret, ja monikulmio on säännöllinen.


    • aeija
      • Helppoa on

        sori vaan, mutta tuosta rapeluksesta en saanut mitään tolkkua.
        Ratkaisu on helpoin kun merkitään ympyrän säteen kantapistettä kohti ja kolmion korkeusjanan välistä kulmaa ß, niin (1 cos(ß))*sin(ß) = A
        Derivoidaan ß.n suhteen ja merkitään 0.ksi ja ratkaistaan -> cos(ß) =1/2


      • aeija
        Helppoa on kirjoitti:

        sori vaan, mutta tuosta rapeluksesta en saanut mitään tolkkua.
        Ratkaisu on helpoin kun merkitään ympyrän säteen kantapistettä kohti ja kolmion korkeusjanan välistä kulmaa ß, niin (1 cos(ß))*sin(ß) = A
        Derivoidaan ß.n suhteen ja merkitään 0.ksi ja ratkaistaan -> cos(ß) =1/2

        Luultavasti ja toivottavasti joku ehkä kuitenkin saa.


      • eihyvä
        aeija kirjoitti:

        Luultavasti ja toivottavasti joku ehkä kuitenkin saa.

        Minäkään en saanut selvää. Matikan tehtävissä kuuluu kirjoittaa myös selittävää tekstiä sen verran, että ratkaisua voi seurata ilman kuvaa. Valitan, mutta tuollaiset ratkaisut eivät ole hyviä ratkaisuja. Tuskinpa tuollainen määrittelemättömien symbolien läiskiminen paperille auttaa ketään.


      • aeija
        eihyvä kirjoitti:

        Minäkään en saanut selvää. Matikan tehtävissä kuuluu kirjoittaa myös selittävää tekstiä sen verran, että ratkaisua voi seurata ilman kuvaa. Valitan, mutta tuollaiset ratkaisut eivät ole hyviä ratkaisuja. Tuskinpa tuollainen määrittelemättömien symbolien läiskiminen paperille auttaa ketään.

        Ei näitä ilman kuvia pysty ymmärtämään, nämä molemmat pitäisikin nyt tulostaa ja katsella yhtä aikaa. http://aijaa.com/AHRXzr


      • 10+8

      • eihyvä
        aeija kirjoitti:

        Ei näitä ilman kuvia pysty ymmärtämään, nämä molemmat pitäisikin nyt tulostaa ja katsella yhtä aikaa. http://aijaa.com/AHRXzr

        Niin. Ei noita raapustuksiasi ymmärrä. Mutta jos vastaukset kirjoittaa kunnolla, ei kuvia tarvita. Hilbertin aksioomissa geometrian termit määritellään ilman kuvia, ja hyvin monet matemaatikot lukevat geometrian tuloksia ihan kuvattomista LaTeX-dokumenteista.


      • Kimmo K.

      • aeija
        Kimmo K. kirjoitti:

        Saatu lauseke kolmion pinta-alalle ei kuitenkaan taida päteä, jos ympyrän keskipiste sijaitsee kolmion ulkopuolella.

        http://aijaa.com/J1Y14v


      • Kimmo K.
        aeija kirjoitti:

        http://aijaa.com/J1Y14v

        Mietin siis juuri tuota tapausta, jonka piirsit.
        Eli ½y olisi yli 90 astetta, jolloin numerolla kolme merkityn kolmion pinta-alan lausekkeessa esiintyvä sin y olisi negatiivinen.

        Ratkaisusi on minusta muuten oikein hyvä ja selkeä.


      • eihyvä
        Kimmo K. kirjoitti:

        Mietin siis juuri tuota tapausta, jonka piirsit.
        Eli ½y olisi yli 90 astetta, jolloin numerolla kolme merkityn kolmion pinta-alan lausekkeessa esiintyvä sin y olisi negatiivinen.

        Ratkaisusi on minusta muuten oikein hyvä ja selkeä.

        Tuollaisilla vastauksilla pärjää ehkä peruskoulussa ja lukiossa, mutta vaikkapa yliopistoissa vastausten tulisi olla sellaisia, että siinä on selittävää tekstiä ja että siinä olisi kerrottu, mitä mikäkin symboli tarkoittaa. Siten omasta mielestäni vastaus ei ole hyvä, vaikka sen laskuosuus onkin hyvin tehty. Kannattaa lukea vaikkapa palstoja http://math.stackexchange.com/ ja http://mathoverflow.net/ jos haluaa oppia hyvää vastaustekniikkaa. Eli ei heitetä paperille satunnaisia symboleja x, y ja z vaan alkuun teksti "Olkoot kolmion kulmat x, y ja z. Tällöin ..."


      • aeija
        eihyvä kirjoitti:

        Tuollaisilla vastauksilla pärjää ehkä peruskoulussa ja lukiossa, mutta vaikkapa yliopistoissa vastausten tulisi olla sellaisia, että siinä on selittävää tekstiä ja että siinä olisi kerrottu, mitä mikäkin symboli tarkoittaa. Siten omasta mielestäni vastaus ei ole hyvä, vaikka sen laskuosuus onkin hyvin tehty. Kannattaa lukea vaikkapa palstoja http://math.stackexchange.com/ ja http://mathoverflow.net/ jos haluaa oppia hyvää vastaustekniikkaa. Eli ei heitetä paperille satunnaisia symboleja x, y ja z vaan alkuun teksti "Olkoot kolmion kulmat x, y ja z. Tällöin ..."

        Kiitos !
        Olen minä siis ainakin yhdessä asiassa onnistunut. Olen nimittäin kaikin mahdollisin tavoin yrittänyt välttää sitä kuivaa ja narisevaa yliopistoslangia, joka tappaa kaiken mielenkiinnon matematiikkaan. Varsinkin tuo sana "olkoon" on sellainen, jota varmasti en ikinä ole käyttänyt.
        Joskus aikanaan täällä raakkui yksi korppi, jolle oikeastaan mikään jonkun muun tekemä ratkaisu ei kelvannut, vaan aina siitä joku vika piti hakea.
        Tuolla Tiede.fi sivustalla , tämä nimimerkkien keskinäinen v......u on mennyt jo överiksikin.
        Minä en juurikaan kommentoi kenenkään tekemisiä, joskus voin oikaista jonkun väärin käsityksen. Kestän kyllä ihan mitä vaan, kritiikki kannustaa jatkamaan samaa linjaa.


      • Malttia
        aeija kirjoitti:

        Kiitos !
        Olen minä siis ainakin yhdessä asiassa onnistunut. Olen nimittäin kaikin mahdollisin tavoin yrittänyt välttää sitä kuivaa ja narisevaa yliopistoslangia, joka tappaa kaiken mielenkiinnon matematiikkaan. Varsinkin tuo sana "olkoon" on sellainen, jota varmasti en ikinä ole käyttänyt.
        Joskus aikanaan täällä raakkui yksi korppi, jolle oikeastaan mikään jonkun muun tekemä ratkaisu ei kelvannut, vaan aina siitä joku vika piti hakea.
        Tuolla Tiede.fi sivustalla , tämä nimimerkkien keskinäinen v......u on mennyt jo överiksikin.
        Minä en juurikaan kommentoi kenenkään tekemisiä, joskus voin oikaista jonkun väärin käsityksen. Kestän kyllä ihan mitä vaan, kritiikki kannustaa jatkamaan samaa linjaa.

        Älä nyt ota ittees, kyllä laskusi ovat ihan jees, mutta käsiala on sitä luokkaa että noiden hieroglyfien tulkinta kyrsii joskus niin paljon että ei viitsi edes riviä pidemmälle katsoa.
        Toive siis, hieman rauhallisemmin ja jos koneella kirjoittaminen ei käy, niin edes tekstaamalla.
        Mitään ylimääräisiä esittelyjä ei kaipaa, ne jotka haluavat selvittää, tietävät kyllä jo ensimmäisistä yhtälöistä mitä tehdään.

        .. Mutta kun saisi tekstistä ja merkeistä selvää !


      • 12+12
        Malttia kirjoitti:

        Älä nyt ota ittees, kyllä laskusi ovat ihan jees, mutta käsiala on sitä luokkaa että noiden hieroglyfien tulkinta kyrsii joskus niin paljon että ei viitsi edes riviä pidemmälle katsoa.
        Toive siis, hieman rauhallisemmin ja jos koneella kirjoittaminen ei käy, niin edes tekstaamalla.
        Mitään ylimääräisiä esittelyjä ei kaipaa, ne jotka haluavat selvittää, tietävät kyllä jo ensimmäisistä yhtälöistä mitä tehdään.

        .. Mutta kun saisi tekstistä ja merkeistä selvää !

        Voit jättää lukematta jos herne menee nenään.

        Minä ainakin luen milellään selitykset jos joku viitsi kirjoittaa sellaiset. KUvat myös auttaa hohmottamaat tehtävää. Piirrän itsekin aina ratkaisua hakiessa.

        Täällä on erilaisia lukijoita. Älä yritä saada palstaa itsekkäästi vaijn iseäsi miellyttäväksi.

        Täällä tuntuu häiriköivän (minun mielestäni) kaksi ryhmää. Koulukiusaaja tyypit ja ufoilijat.

        Ufolut voi kukin halutessaa jättää lukematta.
        Toisille vittuilun ja ainakin latistamisen voisitte ainakin jättää.


      • Malttia
        12+12 kirjoitti:

        Voit jättää lukematta jos herne menee nenään.

        Minä ainakin luen milellään selitykset jos joku viitsi kirjoittaa sellaiset. KUvat myös auttaa hohmottamaat tehtävää. Piirrän itsekin aina ratkaisua hakiessa.

        Täällä on erilaisia lukijoita. Älä yritä saada palstaa itsekkäästi vaijn iseäsi miellyttäväksi.

        Täällä tuntuu häiriköivän (minun mielestäni) kaksi ryhmää. Koulukiusaaja tyypit ja ufoilijat.

        Ufolut voi kukin halutessaa jättää lukematta.
        Toisille vittuilun ja ainakin latistamisen voisitte ainakin jättää.

        Jotenkin vaikuttaa neitimäiseltä loukkaantua noin pahasti arvostelusta ja vielä päälle vaatia yksityiskohtaisesti millaista palstan esitys pitäisi olla !
        tiedoksesi, jos et edeltä ymmärtänyt, minä en lue em "hieroglyfejä", joten tuon näköisinä saavat puolestani olla sisällöltään mitä tahansa, yritin vain kertoa asian tilan.


      • aeija
        Malttia kirjoitti:

        Jotenkin vaikuttaa neitimäiseltä loukkaantua noin pahasti arvostelusta ja vielä päälle vaatia yksityiskohtaisesti millaista palstan esitys pitäisi olla !
        tiedoksesi, jos et edeltä ymmärtänyt, minä en lue em "hieroglyfejä", joten tuon näköisinä saavat puolestani olla sisällöltään mitä tahansa, yritin vain kertoa asian tilan.

        Ne hieroglyfit ainakin pahenevat jos eivät peräti synny tossa skannausvaiheessa, alkuperäisessä paperissa ei ole tulkinnalle tarvetta ainakaan käsialan suhteen.
        Olen kyllä suorittanut aikoinaan Koneenpiirustus ja deskriptiivinen geometria nimisen kurssin, mutta ovat tussit päässeet kuivaan. Enkä ainakaan minä mistään mitättömistä loukkaannu, olen sen verran elämää nähnyt, ettei arvostelut täällä hetkauta mihinkään suuntaan ja olen tähän ketjuun vastannut vain yhden kerran muulla kuin aeija nimimerkillä(10 8).
        Nämä muuten onneksi katoavat tuolta kuvienjakopalvelusta, jos ei niitä lueta, joten ongelmia näistä ei sikäli synny.
        Yleensä näitä luetaan noin 20-30 kertaa, paitsi yhtä fysiikan puolella on luettu 300 kertaa. Sitä on varmaan käytetty jossain oppilaitoksessa esimerkkinä siitä miten ei pidä asioita kokeessa esittää.


    Ketjusta on poistettu 1 sääntöjenvastaista viestiä.

    Luetuimmat keskustelut

    1. Moi vaan vielä kerran

      Kivaa päivää samalla. Kukaan ei kaipaa eikä rakasta. 💔🐺🌃🌧️☀️
      Ikävä
      326
      3684
    2. Nainen, millaisista miehistä tykkäät?

      Mielenkiinnosta kysyn 😄
      Ikävä
      224
      3189
    3. Nyt sitten ulos ihmiset!

      Älkää jumittako täällä. Menkää, näkykää ja hankkikaa kokemuksia. Ei teitä kukaan edes bongaile, jos önötätte täällä.
      Ikävä
      146
      2623
    4. Onnea Solatie !

      On sit valittu uusi kaupunginjohtaja.No ei menny Nivala-Harju- Tapio -Pikkarainen juntan mukkaan.
      Kemijärvi
      20
      2122
    5. Mitä jos saisit tietää että kaivatullasi

      on jo joku toinen?
      Ikävä
      109
      2115
    6. Naiselle varatulle

      Jos homma kariutuu kotona, niin saanko sinut ihan omakseni🙂??
      Tunteet
      16
      1957
    7. Sarvisalon kesätori

      Onpa kiva paikka. Mutta torikahvila oli suorastaan naurettavan alkeellinen ja ne voileivät,olivat kuin pienen lapsen tek
      Loviisa
      17
      1765
    8. Minun pitää tehdä jotain

      En tiedä meneekö siihen viikko vai kuukausi. Mutta jos voit odottaa, niin löydän sinut sen jälkeen kun on homma hoidett
      Ikävä
      44
      1742
    9. Hindulijat raivoavat täällä, ettei kristinuskossa

      ole itsessään mitään aitoa! No miksi sitten hyökkäilette "nollaa vastaan"? Eikö hnduilijan vaan kannattaisi pieht
      Hindulaisuus
      292
      1458
    10. Sinä oot hyvä ihminen

      Mut ehkä me ei vaa sovita yhteen :(
      Ikävä
      123
      1372
    Aihe