Тригонометрия

8 класс
Задача
Картина высотой \(a\) подвешена на стене таким образом, что ее нижний край выше уровня глаз наблюдателя на \(h\) единиц. На каком расстоянии \(x\) от стены должен находиться наблюдатель, чтобы угол обзора картины был наибольшим (рисунок \(7a\))?
Решение

угол обзора картины на стене

Рис.7a

схематическое изображение угла обзора

Рис.7b
Выведем соотношение для угла обзора \(\varphi = \angle BPA.\) Из рисунка \(7b\) следует, что \(\varphi = \alpha - \beta ,\) где \[ {\tan \beta = \frac{h}{x},}\;\;\; {\tan \alpha = \frac{{a + h}}{x}.} \] Используя соотношение для тангенса разности , получаем: \[ {\tan \varphi = \tan \left( {\alpha - \beta } \right) } = {\frac{{\tan \alpha - \tan \beta }}{{1 + \tan \alpha \tan \beta }} } = {\frac{{\frac{{a + h}}{x} - \frac{h}{x}}}{{1 + \frac{{a + h}}{x} \cdot \frac{h}{x}}} } = {\frac{{\frac{{a + \cancel{h} - \cancel{h}}}{x}}}{{\frac{{{x^2} + \left( {a + h} \right)h}}{{{x^2}}}}} } = {\frac{{ax}}{{{x^2} + ah + {h^2}}}.} \] Отсюда находим выражение для функции \(\varphi \left( x \right):\) \[ {\varphi = \varphi \left( x \right) } = {\arctan \frac{{ax}}{{{x^2} + ah + {h^2}}}.} \] Вычисляем производную: \[ {\varphi '\left( x \right) = {\left( {\arctan \frac{{ax}}{{{x^2} + ah + {h^2}}}} \right)^\prime } } = {\frac{1}{{1 + {{\left( {\frac{{ax}}{{{x^2} + ah + {h^2}}}} \right)}^2}}} \cdot {\left( {\frac{{ax}}{{{x^2} + ah + {h^2}}}} \right)^\prime } } = {\frac{{{{\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right)}^2}}}{{{{\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right)}^2} + {{\left( {ax} \right)}^2}}} } {\cdot \frac{{a\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right) - ax \cdot 2x}}{{{{\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right)}^2} + {{\left( {ax} \right)}^2}}} } = {\frac{{a{x^2} + {a^2}h + a{h^2} - 2a{x^2}}}{{{{\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right)}^2} + {a^2}{x^2}}} } = {\frac{{{a^2}h + a{h^2} - a{x^2}}}{{{{\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right)}^2} + {a^2}{x^2}}} } = {\frac{{a\left( {ah + {h^2} - {x^2}} \right)}}{{{{\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right)}^2} + {a^2}{x^2}}}.} \] Производная равна нулю при условии \[ {\varphi '\left( x \right) = 0,}\;\; {\Rightarrow \frac{{a\left( {ah + {h^2} - {x^2}} \right)}}{{{{\left( {{x^2} + ah + {h^2}} \right)}^2} + {a^2}{x^2}}} = 0,}\;\; {\Rightarrow ah + {h^2} - {x^2} = 0,}\;\; {\Rightarrow {x^2} = ah + {h^2},}\;\; {\Rightarrow x = \sqrt {h\left( {a + h} \right)} .} \] причем в этой точке функция \(\varphi \left( x \right)\) имеет максимум, так как знак производной изменяется с плюса на минус при переходе через данное значение.

Таким образом, оптимальное расстояние от стены для наилучшего обзора картины определяется формулой \[x = \sqrt {h\left( {a + h} \right)} .\] Например, если \(a = 3\,\text{м}\) и \(h = 2\,\text{м},\) то оптимальное расстояние составляет \[ {x = \sqrt {h\left( {a + h} \right)} = \sqrt {2\left( {3 + 2} \right)} } = {\sqrt {10} \approx 3,16\,\text{м}.} \]
8 класс Математика Простая

Ещё по теме