2019 AMC 12B 第 25 题

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25.

设 ABCDABCD 是一个凸四边形,且 BC=2BC=2、CD=6CD=6。假设 △ABC\triangle ABC,△BCD\triangle BCD,和 △ACD\triangle ACD 的重心构成一个等边三角形的顶点。ABCDABCD 的面积最大可能值是多少?
Let ABCDABCD be a convex quadrilateral with BC=2BC=2 and CD=6.CD=6. Suppose that the centroids of △ABC,\triangle ABC, △BCD,\triangle BCD, and △ACD\triangle ACD form the vertices of an equilateral triangle. What is the maximum possible value of the area of ABCD?ABCD?
2727
16316\sqrt3
12+10312+10\sqrt3
9+1239+12\sqrt3
3030
答案:C
知识点:重心等边三角形余弦定理最优化
小提示:
三个重心之间的差向量为 B−D3, B−A3, A−D3\dfrac{B-D}{3},\ \dfrac{B-A}{3},\ \dfrac{A-D}{3}。
The differences of the three centroids are B−D3, B−A3, A−D3\dfrac{B-D}{3},\ \dfrac{B-A}{3},\ \dfrac{A-D}{3}
大提示:
因此 △ABD\triangle ABD 是边长为 BDBD 的等边三角形;用 ∠BCD\angle BCD 表示面积并最大化
So △ABD\triangle ABD is equilateral with side BD;BD; write the area using ∠BCD\angle BCD and maximize
解答:
三个重心分别为 A+B+C3\dfrac{A+B+C}{3}, B+C+D3\ \dfrac{B+C+D}{3}, A+C+D3\ \dfrac{A+C+D}{3}。它们两两之差为 A−D3, B−A3, B−D3\dfrac{A-D}{3},\ \dfrac{B-A}{3},\ \dfrac{B-D}{3},所以重心三角形为等边三角形迫使 AB=BD=DAAB=BD=DA;也就是说,△ABD\triangle ABD 是边长为 s=BDs=BD 的等边三角形。
沿 BDBD 分割,[ABCD]=[ABD]+[BCD]=34s2+12⋅2⋅6sin⁡C, \begin{gathered} [ABCD]=[ABD]+[BCD] \\ =\dfrac{\sqrt3}{4}s^2 \\ {}+\dfrac12\cdot2\cdot6\sin C \end{gathered}\text{,}其中 C=∠BCDC=\angle BCD。由余弦定理,s2=40−24cos⁡Cs^2=40-24\cos C,所以 [ABCD]=103−63cos⁡C+6sin⁡C。 \begin{gathered} [ABCD]=10\sqrt3 \\ {}-6\sqrt3\cos C+6\sin C \end{gathered}\text{。}
表达式 6sin⁡C−63cos⁡C6\sin C-6\sqrt3\cos C 的最大值为 62+(63)2=12\sqrt{6^2+(6\sqrt3)^2}=12,所以最大面积是 103+12=12+10310\sqrt3+12=12+10\sqrt3。当 C=150∘C=150^\circ 时取等号;构造具有这个角的 △BCD\triangle BCD,并在 BD‾\overline{BD} 另一侧作等边 △ABD\triangle ABD,可以得到凸四边形,所以最大值能够达到。
所以 C 是正确答案。
The centroids are A+B+C3,\dfrac{A+B+C}{3},  B+C+D3,\ \dfrac{B+C+D}{3},  A+C+D3.\ \dfrac{A+C+D}{3}. Their pairwise differences are A−D3, B−A3, B−D3,\dfrac{A-D}{3},\ \dfrac{B-A}{3},\ \dfrac{B-D}{3}, so an equilateral centroid triangle forces AB=BD=DA;AB=BD=DA; that is, △ABD\triangle ABD is equilateral with side s=BD.s=BD.
Splitting along BD,BD, [ABCD]=[ABD]+[BCD]=34s2+12⋅2⋅6sin⁡C, \begin{gathered} [ABCD]=[ABD]+[BCD] \\ =\dfrac{\sqrt3}{4}s^2 \\ {}+\dfrac12\cdot2\cdot6\sin C, \end{gathered} where C=∠BCD.C=\angle BCD. By the Law of Cosines s2=40−24cos⁡C,s^2=40-24\cos C, so [ABCD]=103−63cos⁡C+6sin⁡C. \begin{gathered} [ABCD]=10\sqrt3 \\ {}-6\sqrt3\cos C+6\sin C. \end{gathered}
The expression 6sin⁡C−63cos⁡C6\sin C-6\sqrt3\cos C has maximum 62+(63)2=12,\sqrt{6^2+(6\sqrt3)^2}=12, so the greatest area is 103+12=12+103.10\sqrt3+12=12+10\sqrt3. Equality occurs at C=150∘;C=150^\circ; constructing △BCD\triangle BCD with that angle and placing equilateral △ABD\triangle ABD on the opposite side of BD‾\overline{BD} produces a convex quadrilateral, so the maximum is attainable.
Thus, C is the correct answer.
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