Одну задачу – несколькими методами

10 класс

Решение одной задачи несколькими способами чрезвычайно полезно, так как демонстрирует учащимся единство математики, приводит знания в систему и, в конечном итоге подводит школьников к пониманию важнейшей мировоззренческой идеи о единстве мира.

В качестве примера рассмотрим классическую задачу.

С какого расстояния лучше всего рассматривать картину?

А вот та же задача в слегка измененном виде.

На каком расстоянии от экрана лучше всего сидеть в кинотеатре?

Известна и третья формулировка.

На некотором расстоянии от шоссе виден дворец. С какой точки шоссе экскурсантам лучше всего рассматривать фасад дворца?

Понятно, что картина может висеть под некоторым углом к стене; пол в зрительном зале может быть и не перпендикулярен экрану; дворец вообще может быть расположен под любым углом к шоссе.

Задача обладает рядом несомненных методических достоинств.

Во-первых, в ней нет никаких числовых данных. Согласитесь, всегда веет некоторой искусственностью, когда мы сообщаем ученику: дворец имеет длину (по фасаду) 50 м, фасад составляет с шоссе угол в 60° и т. д.

Во-вторых, не сразу понятно, что значит «лучше всего». Это еще надо перевести на математический язык. Можно согласиться, что картина лучше всего видна целиком, если в поле зрения она занимает наибольший угол. Только теперь мы приходим к математической формулировке задачи.

Из какой точки прямой l отрезок AB виден под наибольшим углом (рис. 1)?

В-третьих, задача допускает ее исследование самыми разными способами: от элементарной геометрии до математического анализа.

Решение 1. (С помощью элементарной геометрии.) Начнем с простого: пусть ABl. Будем искать точку C методами задач на построение. Обозначим: EA = a, EB = b, EC = x, j =Р ABC – угол, который следует максимизировать.

Построение. Через середину AB проведем прямую l₁кзl. Расстояние между прямыми l₁ и l равно На расстоянии h от A возьмем на l₁ точку O. Радиусом h проведем окружность с центром в точке O. Она пройдет через точки A, B и будет касаться прямой в искомой точке C.

Доказательство. Угол j вписан в окружность с центром O и равен половине угла AOB. Если мы возьмем на l любую другую точку C₁ и проведем окружность через точки A, B, C₁ с центром O₁Оl₁, то, очевидно, ее радиус O₁C₁ будет больше h, поэтому РAO₁B < РAOB и, следовательно, РAC₁B<РACB.

По теореме Пифагора имеем

Заметим, что линия l проведена на уровне глаз зрителя. Итак, если, например, верхний край картины выше глаз зрителя на 2 м, а нижний – на 1 м, то картина будет видна под наибольшим углом, если ее рассматривать с расстояния  м от стены.

Решение 2. (Снова с помощью геометрического построения.) Строим точку B₁ симметрично точке B относительно l (рис. 2). На отрезке AB₁ как на диаметре строим окружность. Точка C – пересечение окружности с прямой l.

Совпадение значения x с вычисленными ранее и служит доказательством правильности второго построения. Впрочем, попробуйте найти прямое доказательство (без ссылки на решение 1).

Решение 3. (С помощью тригонометрии и алгебры.) На рисунке 1 обозначим РACE =a, РBCE=b. Тогда

Нас интересует вопрос: при каком значении x угол j принимает наибольшее значение? В силу монотонности функции тангенса наибольшее значение j и tg j достигается в одной и той же точке. В этой же точке достигается минимум обратной величины

и отличающейся от нее на постоянный множитель величины

(по неравенству Коши ). Равенство достигается при т. е. при этом значении x достигается минимум функции y и максимум угла j.

Решение 4. (С помощью производной арктангенса.) Максимум угла j можно найти стандартными методами математического анализа.

Очевидно

Это решение может служить мотивом для введения производной обратной функции и, в частности, арктангенса. Если учитель не собирается этого делать, можно эту трудность обойти с помощью решения 5.

Решение 5. (Опять с помощью математического анализа, но без привлечения производной арктангенса.) Вместо максимума j можно искать максимум функции (1) или даже минимум функции (2):

Решение 6. (Методом координат.) Пусть теперь картина висит наклонно.

Введем декартову систему координат с началом координат в точке E, EC – линия на уровне глаз зрителя, g – угол между EА и EC (рис. 3). Аналитическая геометрия поможет нам вычислить координаты центра O(x; y) окружности, проходящей через точки A, B, C (тогда, по аналогии с первым решением, опять будет обеспечиваться максимум угла РACB).

Вычислим координаты точек

A(acos g; asin g), B(bcos g; bsin g), C(x; 0)

и квадраты расстояний

Получим систему уравнений

откуда

Преобразуем последнее равенство:

Удивительно, но и в общем случае мы получили то же выражение для x, но теперь оно имеет другой смысл: x откладывается не от стены, а от точки E, а расстояние от стены равно x – bcos g.

Замечание. С помощью аналитической геометрии можно пойти по другому пути, если иначе выбрать систему координат. Например, если взять начало координат в точке E, а ось Ox направить через точки A, B, то у них будут простые координаты A(a; 0), B(b; 0). При этом линия уровня зрения будет иметь вид y = xtg g.

Попробуйте найти другие решения этой интересной задачи.