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第2問

三角形 ABCABC において、辺 ABAB 上に点 DD が存在して CDCD が ADAD と DBDB の相乗平均になるのは、sin⁡Asin⁡B≤sin⁡2C2\sin A \sin B \le \sin^2 \frac{C}{2} が成り立つとき、かつそのときに限ることを証明せよ。
ステップ 5/5: 結論:不等式がまさに存在条件である
sin⁡Asin⁡B∈[0,sin⁡2C2] ⟺ ∃x: f(x)=sin⁡Asin⁡B\sin A\sin B\in\Bigl[0,\sin^2\frac{C}{2}\Bigr]\ \Longleftrightarrow\ \exists x:\ f(x)=\sin A\sin B
詳しい解説

A,B∈(0,π)A,B\in(0,\pi) より sin⁡Asin⁡B>0\sin A\sin B>0 は自動的に成り立つので、条件 sin⁡Asin⁡B≤sin⁡2C2\sin A\sin B\le\sin^2\frac{C}{2} は、手順4で求めた到達可能域 [0,sin⁡2C2]\bigl[0,\sin^2\tfrac{C}{2}\bigr] に sin⁡Asin⁡B\sin A\sin B が属することを正確に意味する。したがって、ある分割 C=C1+C2C=C_1+C_2 が sin⁡C1sin⁡C2=sin⁡Asin⁡B\sin C_1\sin C_2=\sin A\sin B を達成するのは sin⁡Asin⁡B≤sin⁡2C2\sin A\sin B\le\sin^2\frac{C}{2} のとき、かつそのときに限り、手順3によりこの分割は ABAB 上に CD2=AD⋅DBCD^2=AD\cdot DB を満たす点 DD を定める。これで同値性が両方向について完成する。