1687

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在平面四边形 ABCD 中, AB=2, AD=4.

  1. 若 BC=2CD=2.
    1. 若 A,B,C,D 四点共圆 M, 求 AC;
    2. 求四边形 ABCD 面积 S 的最大值.
  2. 若 ∠BAD=π3, ∠BCD=2π3, AC 与 BD 交于点 O. 记 ∠CAD=θ, 求当 θ 为何值时, SΔAOD=2SΔBOC.
解

  1. 设 AC=x, 则根据余弦定理 (1)cos⁡B=8−x28,cos⁡D=17−x28.
    1. 因为 A,B,C,D 共圆, 所以 ∠B+∠D=π, 所以 0=cos⁡B+cos⁡D=25−2x28⇒x=522.
    2. 在 (1) 中消去 x2, 得到 cos⁡B−cos⁡D=−98, 于是 (sin⁡B+sin⁡D)2+(cos⁡B−cos⁡D)2=(sin⁡B+sin⁡D)2+8164=2−2cos⁡(B+D)≤4, 从而 sin⁡B+sin⁡D≤578, 这样 S=12(AB⋅BCsin⁡B+AD⋅DCsin⁡D)=2(sin⁡B+sin⁡D)≤574.
  2. 由于 ∠BAD+∠BCD=π, 所以 A,B,C,D 共圆, 于是 ΔOAD∼ΔOBC, 这样 ∠DBC=θ, 且 SΔAOD=2SΔBOC 等价于 BC=AD2=22.
    在 ΔABD 中, 根据余弦定理 BD=AB2+AD2−2AB⋅ADcos⁡∠BAD=23. 在 ΔBCD 中, 根据正弦定理 BDsin⁡∠BCD=BCsin⁡∠BDC⇒sin⁡∠BDC=22, 这样 ∠BDC=π4 (因为 ∠BCD 已经是钝角了所以舍去另一解), 这样 θ=π−∠BCD−∠BDC=π12.
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