Let x, y, z be the sides of a triangle.
Then, the perimeter of the triangle is;
p ( x , y , z ) = x + y + z \displaystyle
p(x,y,z)=x+y+z p ( x , y , z ) = x + y + z
Also, using Heron's formula, the area of the triangle is;
A ( x , y , z ) = 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 4 \displaystyle
A(x,y,z)=\frac{\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}}{4} A ( x , y , z ) = 4 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4
Now, from the question, P ( x , y , z ) = 60 \displaystyle
P(x,y,z)=60 P ( x , y , z ) = 60 . Thus, we are to;
maximize: A ( x , y , z ) = 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 4 \displaystyle
A(x,y,z)=\frac{\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}}{4} A ( x , y , z ) = 4 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4
subject to: x + y + z − 60 = 0 \displaystyle
x+y+z-60=0 x + y + z − 60 = 0
Using Lagrange's method;
⇒ ∇ ( 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 4 ) = λ ∇ ( x + y + z − 60 ) ⇒ 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 = λ 4 y x 2 + 4 y z 2 − 4 y 3 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 = λ 4 z x 2 + 4 z y 2 − 4 z 3 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 = λ Thus, we need to solve the following equations: 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ( i ) 4 y x 2 + 4 y z 2 − 4 y 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ( i i ) 4 z x 2 + 4 z y 2 − 4 z 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ( i i i ) x + y + z − 60 = 0 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ( i v ) \displaystyle
\Rightarrow\nabla\left(\frac{\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}}{4}\right)=\lambda\nabla(x+y+z-60)\\
\Rightarrow\quad\frac{4xy^2+4xz^2-4x^3}{8\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}}=\lambda\\
\qquad \frac{4yx^2+4yz^2-4y^3}{8\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}}=\lambda\\
\qquad \frac{4zx^2+4zy^2-4z^3}{8\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}}=\lambda\\
\quad\\
\text{Thus, we need to solve the following equations:}\\
\quad\\
4xy^2+4xz^2-4x^3=\lambda8\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}\ \cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots(i)\\
4yx^2+4yz^2-4y^3=\lambda8\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}\ \cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots(ii)\\
4zx^2+4zy^2-4z^3=\lambda8\sqrt{2x^2y^2+2x^2z^2+2y^2z^2-x^4-y^4-z^4}\ \cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots(iii)\\
x+y+z-60=0\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots\cdots(iv) ⇒ ∇ ( 4 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 ) = λ ∇ ( x + y + z − 60 ) ⇒ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 4 y x 2 + 4 y z 2 − 4 y 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 4 z x 2 + 4 z y 2 − 4 z 3 = λ Thus, we need to solve the following equations: 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ( i ) 4 y x 2 + 4 y z 2 − 4 y 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ( ii ) 4 z x 2 + 4 z y 2 − 4 z 3 = λ 8 2 x 2 y 2 + 2 x 2 z 2 + 2 y 2 z 2 − x 4 − y 4 − z 4 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ( iii ) x + y + z − 60 = 0 ⋯⋯⋯⋯⋯⋯ ( i v )
substituting (i) into (ii) and (iii) yields;
4 y x 2 + 4 y z 2 − 4 y 3 = 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 4 z x 2 + 4 z y 2 − 4 z 3 = 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 x + y + z − 60 = 0 ⇒ y x 2 + y z 2 − y 3 − x y 2 − x z 2 + x 3 = 0 z x 2 + z y 2 − z 3 − x y 2 − x z 2 + x 3 = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ x y ( x − y ) − z 2 ( x − y ) + ( x 3 − y 3 ) = 0 x z ( x − z ) − y 2 ( x − z ) + ( x 3 − z 3 ) = 0 x + y + z − 60 = 0 But ( a 3 − b 3 ) = ( a − b ) ( a 2 + a b + b 2 ) ⇒ x y ( x − y ) − z 2 ( x − y ) + ( x − y ) ( x 2 + x y + y 2 ) = 0 x z ( x − z ) − y 2 ( x − z ) + ( x − z ) ( x 2 + x z + z 2 ) = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( x − y ) [ x y − z 2 + ( x 2 + x y + y 2 ) ] = 0 ( x − z ) [ x z − y 2 + ( x 2 + x z + z 2 ) ] = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( x − y ) [ x 2 + x ( 2 y ) + ( y 2 − z 2 ) ] = 0 ( x − z ) [ x 2 + x ( 2 z ) + ( z 2 − y 2 ) ] = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( x − y ) ( x + y − z ) ( x + y + z ) = 0 ( x − z ) ( x + z − y ) ( x + z + y ) = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( y − z ) × z × ( 2 y + x ) = 0 2 y + z − 60 = 0 , if x = y ⇒ 3 z − 60 = 0 , if y = z ⇒ x = y = z = 20 \displaystyle
4yx^2+4yz^2-4y^3=4xy^2+4xz^2-4x^3\\
4zx^2+4zy^2-4z^3=4xy^2+4xz^2-4x^3\\
x+y+z-60=0\\
\Rightarrow\\
yx^2+yz^2-y^3-xy^2-xz^2+x^3=0\\
zx^2+zy^2-z^3-xy^2-xz^2+x^3=0\\
x+y+z-60=0\\
\Rightarrow\\
xy(x-y)-z^2(x-y)+(x^3-y^3)=0\\
xz(x-z)-y^2(x-z)+(x^3-z^3)=0\\
x+y+z-60=0\\
\quad\\
\text{But }(a^3-b^3)=(a-b)(a^2+ab+b^2)\\
\Rightarrow\\
xy(x-y)-z^2(x-y)+(x-y)(x^2+xy+y^2)=0\\
xz(x-z)-y^2(x-z)+(x-z)(x^2+xz+z^2)=0\\
x+y+z-60=0\\
\Rightarrow\\
(x-y)[xy-z^2+(x^2+xy+y^2)]=0\\
(x-z)[xz-y^2+(x^2+xz+z^2)]=0\\
x+y+z-60=0\\
\Rightarrow\\
(x-y)[x^2+x(2y)+(y^2-z^2)]=0\\
(x-z)[x^2+x(2z)+(z^2-y^2)]=0\\
x+y+z-60=0\\
\Rightarrow\\
(x-y)(x+y-z)(x+y+z)=0\\
(x-z)(x+z-y)(x+z+y)=0\\
x+y+z-60=0\\
\Rightarrow\\
(y-z)\times z\times(2y+x)=0\\
2y+z-60=0,\ \text{if }x=y\\
\Rightarrow\\
3z-60=0,\ \text{if }y=z\\
\Rightarrow\\
x=y=z=20 4 y x 2 + 4 y z 2 − 4 y 3 = 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 4 z x 2 + 4 z y 2 − 4 z 3 = 4 x y 2 + 4 x z 2 − 4 x 3 x + y + z − 60 = 0 ⇒ y x 2 + y z 2 − y 3 − x y 2 − x z 2 + x 3 = 0 z x 2 + z y 2 − z 3 − x y 2 − x z 2 + x 3 = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ x y ( x − y ) − z 2 ( x − y ) + ( x 3 − y 3 ) = 0 x z ( x − z ) − y 2 ( x − z ) + ( x 3 − z 3 ) = 0 x + y + z − 60 = 0 But ( a 3 − b 3 ) = ( a − b ) ( a 2 + ab + b 2 ) ⇒ x y ( x − y ) − z 2 ( x − y ) + ( x − y ) ( x 2 + x y + y 2 ) = 0 x z ( x − z ) − y 2 ( x − z ) + ( x − z ) ( x 2 + x z + z 2 ) = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( x − y ) [ x y − z 2 + ( x 2 + x y + y 2 )] = 0 ( x − z ) [ x z − y 2 + ( x 2 + x z + z 2 )] = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( x − y ) [ x 2 + x ( 2 y ) + ( y 2 − z 2 )] = 0 ( x − z ) [ x 2 + x ( 2 z ) + ( z 2 − y 2 )] = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( x − y ) ( x + y − z ) ( x + y + z ) = 0 ( x − z ) ( x + z − y ) ( x + z + y ) = 0 x + y + z − 60 = 0 ⇒ ( y − z ) × z × ( 2 y + x ) = 0 2 y + z − 60 = 0 , if x = y ⇒ 3 z − 60 = 0 , if y = z ⇒ x = y = z = 20
Hence, the length of the sides of a triangle of perimeter 60cm which gives a maximum area are;
x = y = z = 20 c m \displaystyle
x=y=z=20\ cm x = y = z = 20 c m , where x, y, z are the sides of the triangle.
Comments