第384問の解答


問題[平面図形]

問題図

左図のような、面積が24cm2の△ABCの辺BC上に点Pを、BP:PC=3:5になるようにとります。さらに、辺ABの延長上に点Qを、辺AC上に点Rをとり、線分QRが点Pを通るようにして、△AQRを作ります。

では、△AQRの面積が最も小さくなるようにQ、Rをとるとき、△AQRの面積は何cm2になるかを求めてください。


解答例1

はなうさん、シンクロさん、あ〜く@旧Nさん、nさん、ねこやんさん、遠い山のぽきょぽんさん、ろろさん、小学名探偵さん、まるケンさん、ばち丸さん、きょろ文さん、 他多数

あとで証明しますが、△AQRの面積が最小となるのはQP=PRとなるときです。
まず、このときの最小値を求めましょう。

参考図1

(△AQRの最小値)

点Rを通って辺AQと平行な直線と辺BCの交点をSとします。

△BQPと△SRPに関して、QP=RP、∠BPQ=∠SPR(対頂角)、∠BPQ=∠SPR(錯角)より、
1辺と両端の角が等しいので合同。

従って、BQ=SR、BP=SP、
BP
:PC=3:5より、BS:SC=6:2=3:1

RSとABは平行より、△CRSと△CABは相似、
よって、
 CR:RA=CS:SB=1:3 ・・・ (1)

また、
 RS:AB=CS:CB=1:4
RS=BQより、
 AB:BQ=4:1 ・・・ (1)

従って、(1)、(2)より、
 △AQR=△ABC×AQ/AB×AR/AC
   =24×5/4×3/4
   =45/2cm2
 と求まります。

(QP=PRのときに△AQRが最小であること)

参考図2

SRとQRの交点をTとします。
△BQ'Pと△STPに関して、BP=PS、∠BPQ'=∠SPT(対頂角)、∠BQ'P=∠STP(錯角)より、
1辺と両端の角が等しいので合同。

  • Q'P>PR'のとき

△QQ'P=△BQ'P−△BQP、△RTP=△STP−△SRPより、
△QQ'P=△RTP

△AQ'R'=△AQR+△QQ'P−△RR'P
  =△AQR
+△QQ'P−(△RTP−△TR'R)
  =△AQR+△TR'R>△AQR ・・・ (3)

  • Q'P>PR'のとき

△QQ'P=△BQP−△BQ'P、△RTP=△SRP−△STPより、
△QQ'P=△RTP

△AQ'R'=△AQR−△QQ'P+△RR'P
  =△AQR−△QQ'P
+(△RTP+△TR'R)
  =△AQR+△TR'R>△AQR ・・・ (4)

(3)、(4)より、
 

QP=PRのとき△AQRが最小であることが分かります。

答: 45/2cm2

以上


解答例2

M.Hossieさん、 那由他さん、小西孝一さん、ゴンともさん、とまぴょんさん、kasamaさん、他

q=AQ/AB、r=AR/ACとします。(q>1)

参考図3

△ABCと直線QRに関してメネラウスの定理より、
 AQ/QB×BP/PC×CR/RA=1
 q/(q−1)×3/5×(1−r)/r=1

よって、
 r=3q/(8q−5)

従って、△AQRの面積をSとおくと、
 S=24×q×r
  =72×q2/(8q−5)

ここで、t=8q−5とおくと、q=(t+5)/8より、
 S=72/82×(t+5)2/t
  =9/8×(t+10+25/t)
  ≧9/8×(2×√(t×25/t)+10) ・・・ (1)
  =9/8×20
  =45/2cm2

(1)は、(a+b)/2≧√(ab)(算術平均≧幾何平均)より導かれ、
等号はt=25/t、すなわちt=5の時に成り立つ。

このとき、q=5/4、r=3/4となる。

(参考)

参考図4


(その他の解法)