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在平面四边形 ABCD 中, AB⊥BC, BC⊥CD, ∠CAD=45∘; BC=1, ΔACD 和 ΔABC 的面积分别为 S1,S2, 则 S1S2 的最小值为_____.
按图示建系. 设 kCA=1, kAD=k2. 根据倒角公式, ∠CAD=45∘ 意味着 k1−k21+k1k2=1⇒k1=1+k21−k2. 这样 S1S2=1−SΔADES2=1−DEAB=1−k1k2=1−(1k2−2k2−1). 根据反向柯西不等式, (1k2−2k2−1)(k2−(k2−1))≤(1−2)2, 所以 S1S2≥1−(1−2)2=22−2.
作 AF⊥AC, 与 CD 的延长线交于 F. 作 AE⊥CF 于 E. 设 ∠CAB=∠ACF=∠EAF=α. 这样 AD 是直角 ∠CAF 的角平分线. 根据角平分线定理, CDCD+DF=ACAC+AF⇒CD=CF⋅ACAC+AF=1sinαcosα⋅1sinα1sinα+1cosα. 而 AB=1tanα, 所以 S1S2=CDAB=1cosα(sinα+cosα)=112sin2α+12cos2α+12≥122+12=22−2.
这个解法还可以用正弦定理简化. 在 ΔACD 中 ACsin∠CDA=CDsin45∘, 也即 1sinαsin(α+45∘)=CDsin45∘, 这样上面一通几何操作显得比较多余.