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在凸四边形 ABCD 中,分别用 A,B,C,D 表示四个内角,如果有 sin⁡A=cos⁡B,求 S=3sin⁡A+4sin⁡B+52sin⁡C+52sin⁡D 的取值范围.

解

由 sin⁡A=cos⁡B=sin⁡(π2−B),得 A=π2−B 或 A=B+π2.

  • 对 A=π2−B 的情形,有 C+D=3π2.则S=3cos⁡B+4sin⁡B+52(sin⁡C−cos⁡C)=5sin⁡(B+φ)+10sin⁡(C−π4),φ=arctan⁡34.
    由于 0<B<π2<C<3π2, 故 5sin⁡(B+φ)∈(3,5], 10sin⁡(C−π4)∈(52,10], 故 S∈(3+52,15].
  • 对 A=B+π2 的情形, 有 C+D=3π2−2B. 由 A<π 得 B<π2. 一方面, S=3cos⁡B+4sin⁡B+52(1+sin⁡2B)sin⁡C−52cos⁡2Bcos⁡C≤3cos⁡B+4sin⁡B+522+2sin⁡2B=22[7cos⁡(B−π4)+20|cos⁡(B−π4)|+sin⁡(B−π4)]≤22⋅272+1=365,
    另一方面 sin⁡C+sin⁡D=2sin⁡C+D2cos⁡C−D2=2sin⁡(3π4−B)cos⁡C−D2. 不妨设 C≥D, 则 C−D2∈[0,3π4−B)⊂[0,π]. 而 cos⁡x 在 [0,π] 上单减, 且 sin⁡(3π4−B)>0,故 sin⁡C+sin⁡D>2sin⁡(3π4−B)cos⁡(3π4−B)=−cos⁡2B.
    则S>3cos⁡B+4sin⁡B−52cos⁡2B=g(B).
    而 g′(B)=102sin⁡2B+3(cos⁡B−sin⁡B)+cos⁡B>0, 故 g(B)>g(π4)=722.
    再由值域的连续性得 S∈(722,365].

将两个范围取并集,得 S∈(722,365].