استخدم المشتقة لإيجاد قياس زاوية في مثلث قائم الزاوية بحيث يكون نصف قطر الدائرة المحصورة أكبر ما يمكن، وذلك لوتر ثابت.
فيما يلي، يمثل \( C \) ثابت التكامل إن وجد.
المسألة
ABC مثلث قائم الزاوية و \( r \) هو نصف قطر الدائرة المحصورة.
أ) اعبر عن \( r \) بدلالة الزاوية \( x \) وطول الوتر \( h \).
ب) افترض أن \( h \) ثابت و \( x \) متغير؛ أوجد \( x \) التي يكون عندها \( r \) أكبر ما يمكن.
عرض حل المسألة
أ) لتكن M و N و P نقاط التماس للدائرة مع أضلاع المثلث. الأطوال OM و ON و OP تعامد الأضلاع CB و CA و AB على التوالي.
المثلثان COM و CON مثلثان قائما الزاوية ولهم ضلعان متطابقان (CO ونصف القطر OM = ON = r)؛ إذن المثلثان متطابقان. نرمز لقياس الزاوية MCN بـ \( x \) ونكتب:
المثلثان BOM و BOP مثلثان قائما الزاوية ولهم ضلعان متطابقان (BO ونصف القطر OM = OP = r)؛ إذن المثلثان متطابقان. نرمز لقياس الزاوية MBP بـ \( y \) ونكتب:
لاحظ أن \( y + x = 90^\circ \)، مما يعطي \( \dfrac{y}{2} = 45^\circ - \dfrac{x}{2} \).
نعوض بـ \( \dfrac{y}{2} \) في معادلة \( BM \):
الحل من أجل \( CM \) و \( BM \):
باستخدام حقيقة أن \( h = CM + BM \):
باستخدام المتطابقة المثلثية لفرق الظل:
التعويض مرة أخرى في صيغة \( h \):
مهلاً، لنفحص الحد المقلوب:
باستخدام \( \tan\left(\dfrac{x}{2}\right) = \dfrac{\sin(x/2)}{\cos(x/2)} \)، نبسط إلى:
الحل من أجل \( r \):
باستخدام متطابقات نصف الزاوية والضرب (\( \sin\left(\frac{x}{2}\right)\cos\left(\frac{x}{2}\right) = \dfrac{1}{2}\sin x \) و \( \sin^2\left(\frac{x}{2}\right) = \dfrac{1 - \cos x}{2} \)):
ب) افترض أن \( h \) ثابت. أوجد المشتقة الأولى لـ \( r \) بالنسبة إلى \( x \):
جعل \( \dfrac{dr}{dx} = 0 \) لإيجاد النقاط الثابتة:
بما أن \( x \) زاوية حادة في المثلث القائم الزاوية، فإن حل المعادلة \( \cos x = \sin x \) يعطي:
بما أن \( \dfrac{dr}{dx} > 0 \) عندما \( x < \dfrac{\pi}{4} \) و \( \dfrac{dr}{dx} < 0 \) عندما \( x > \dfrac{\pi}{4} \)، فإن لـ \( r \) قيمة عظمى مطلقة عند \( x = \dfrac{\pi}{4} = 45^\circ \). في هذه الحالة، المثلث ABC متطابق الساقين.