Question Number 166738 by ajfour last updated on 26/Feb/22
Commented by ajfour last updated on 26/Feb/22
$$\:\:{Find}\:{r}_{{max}} \:{in}\:{terms}\:{of}\:{b}. \\ $$
Answered by mr W last updated on 27/Feb/22
$${P}\left({a}\:\mathrm{cos}\:\theta,\:{b}\:\mathrm{sin}\:\theta\right) \\ $$$$\frac{\sqrt{\left({b}\:\mathrm{sin}\:\theta−{r}\right)^{\mathrm{2}} −{r}^{\mathrm{2}} }}{{r}}=\frac{{b}\:\mathrm{sin}\:\theta}{{a}\:\mathrm{cos}\:\theta} \\ $$$${let}\:\frac{{b}}{{a}}=\mu\leqslant\mathrm{1},\:\frac{{b}}{{r}}=\xi \\ $$$$\sqrt{\left(\xi\:\mathrm{sin}\:\theta−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}=\frac{\mu\:\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{cos}\:\theta} \\ $$$$\xi=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:\theta}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\theta}−\mathrm{1}}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$${let}\:{s}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:\theta} \\ $$$$\xi={s}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$\frac{{d}\xi}{{ds}}=\mathrm{1}+\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}+\mathrm{1}}−\frac{\mu^{\mathrm{2}} {s}^{\mathrm{2}} }{\:\left({s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} \sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}+\mathrm{1}}}=\mathrm{0} \\ $$$$\left({s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} +\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}+\mathrm{1}}=\mu^{\mathrm{2}} \\ $$$$\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}+\mathrm{1}}=\left(\frac{\mu}{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{2}} −\mathrm{1} \\ $$$$\left(\frac{\mu}{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)^{\mathrm{3}} −\mathrm{2}\left(\frac{\mu}{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}\right)−\mu=\mathrm{0} \\ $$$$\Delta=\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{27}}\leqslant\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{27}}=−\frac{\mathrm{5}}{\mathrm{108}}<\mathrm{0} \\ $$$$\frac{\mu}{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{6}}}{\mathrm{3}}\:\mathrm{sin}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{3}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\mathrm{sin}^{−\mathrm{1}} \frac{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{6}}\mu}{\mathrm{8}}\right)\:\left({valid}\:{for}\:\mu\leqslant\sqrt{\frac{\mathrm{32}\:}{\mathrm{27}}}=\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{6}}}{\mathrm{9}}\right) \\ $$$${if}\:\mu>\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{6}}}{\mathrm{9}},\: \\ $$$$\frac{\mu}{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}=\sqrt[{\mathrm{3}}]{\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{27}}}+\frac{\mu}{\mathrm{2}}}−\sqrt[{\mathrm{3}}]{\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{27}}}−\frac{\mu}{\mathrm{2}}} \\ $$$${s}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:\theta}=\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\sqrt{\mathrm{6}}\mu}{\mathrm{4}\:\mathrm{sin}\:\left(\frac{\pi}{\mathrm{3}}+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\mathrm{sin}^{−\mathrm{1}} \frac{\mathrm{3}\sqrt{\mathrm{6}}\mu}{\mathrm{8}}\right)}}\:\:{for}\:\mu\leqslant\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{6}}}{\mathrm{9}} \\ $$$${s}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:\theta}=\sqrt{\mathrm{1}+\frac{\mu}{\:\sqrt[{\mathrm{3}}]{\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{27}}}+\frac{\mu}{\mathrm{2}}}−\sqrt[{\mathrm{3}}]{\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}}−\frac{\mathrm{8}}{\mathrm{27}}}−\frac{\mu}{\mathrm{2}}}}}\:\:{for}\:\mu<\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{6}}}{\mathrm{9}} \\ $$$$\xi_{{min}} =\frac{{b}}{{r}_{{max}} }={s}\left(\mathrm{1}+\sqrt{\frac{\mu^{\mathrm{2}} }{{s}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}}+\mathrm{1}}\right) \\ $$$$ \\ $$$${examples}: \\ $$$$\mu=\frac{{b}}{{a}}=\mathrm{0}.\mathrm{5}\:\Rightarrow\:\frac{{r}_{{max}} }{{b}}\approx\mathrm{0}.\mathrm{3728} \\ $$$$\mu=\frac{{b}}{{a}}=\mathrm{2}\:\Rightarrow\:\frac{{r}_{{max}} }{{b}}\approx\mathrm{0}.\mathrm{1987} \\ $$
Commented by mr W last updated on 27/Feb/22
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Commented by mr W last updated on 27/Feb/22
Commented by ajfour last updated on 27/Feb/22
$${Great}\:{effort}\:{n}\:{solution}\:{Sir}. \\ $$$${Thanks}\:{a}\:{lot}. \\ $$
Answered by ajfour last updated on 26/Feb/22
$${P}\left(\mathrm{cos}\:\theta,\:{b}\mathrm{sin}\:\theta\right) \\ $$$${r}+\frac{{r}}{\mathrm{cos}\:\phi}={b}\mathrm{sin}\:\theta \\ $$$$\mathrm{tan}\:\phi={b}\mathrm{tan}\:\theta \\ $$$$\Rightarrow\:\:{r}=\frac{{b}\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{1}+\sqrt{\mathrm{1}+{b}^{\mathrm{2}} \mathrm{tan}\:^{\mathrm{2}} \theta}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\frac{{b}}{{r}}=\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:\theta}+\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{sin}\:^{\mathrm{2}} \theta}+\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{cos}\:^{\mathrm{2}} \theta}} \\ $$$${say}\:\:\mathrm{sin}\:\theta={s} \\ $$$$\frac{{b}}{{r}}=\frac{\mathrm{1}}{{s}}+\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{2}} }+\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$$\:\frac{{d}\left({b}/{r}\right)}{{ds}}=−\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{2}} }+\frac{−\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{3}} }+\frac{{b}^{\mathrm{2}} {s}}{\left(\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }}{\:\sqrt{\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} }}}=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\:\:\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{4}} }\left(\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{2}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} }\right) \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:=\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{6}} }+\frac{{b}^{\mathrm{4}} {s}^{\mathrm{2}} }{\left(\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{4}} }−\frac{\mathrm{2}{b}^{\mathrm{2}} }{{s}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\Rightarrow\:\:\left(\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{3}} +\mathrm{2}{b}^{\mathrm{2}} {s}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−{s}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} ={b}^{\mathrm{4}} {s}^{\mathrm{6}} \\ $$$$\Rightarrow\:\left(\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{3}} +\mathrm{2}{b}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}\right)^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{4}} =\mathrm{0} \\ $$$${say}\:\:\:\:\frac{\mathrm{1}}{\frac{\mathrm{1}}{{s}^{\mathrm{2}} }−\mathrm{1}}={t}\:\:\Rightarrow \\ $$$${t}^{\mathrm{3}} −\frac{\mathrm{2}{t}}{{b}^{\mathrm{2}} }−\frac{\mathrm{1}}{{b}^{\mathrm{4}} }=\mathrm{0} \\ $$$${t}=\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{b}^{\mathrm{4}} }+\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{b}^{\mathrm{4}} }\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{32}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{27}}}\right\}^{\mathrm{1}/\mathrm{3}} \\ $$$$\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:\:+\left\{\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{b}^{\mathrm{4}} }−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}{b}^{\mathrm{4}} }\sqrt{\mathrm{1}−\frac{\mathrm{32}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{27}}}\right\}^{\mathrm{1}/\mathrm{3}} \\ $$$${D}>\mathrm{0}\:\:{if}\:\:{b}^{\mathrm{2}} <\frac{\mathrm{27}}{\mathrm{32}} \\ $$$$ \\ $$$$ \\ $$
Answered by MJS_new last updated on 27/Feb/22
$$\mathrm{for}\:\mathrm{0}\leqslant{x}\leqslant\mathrm{1}\:\mathrm{and}\:\mathrm{the}\:\mathrm{triangle}\:\mathrm{has}\:\mathrm{the} \\ $$$$\mathrm{sides}\:{u},\:{v},\:{w} \\ $$$${u}={v}=\sqrt{{b}^{\mathrm{2}} +\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right){x}^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{and}\:{w}=\mathrm{2}{x} \\ $$$$\Rightarrow\:\mathrm{the}\:\mathrm{radius}\:\mathrm{of}\:\mathrm{the}\:\mathrm{incircle}\:\mathrm{is} \\ $$$${r}=\frac{{bx}\sqrt{\mathrm{1}−{x}^{\mathrm{2}} }}{{x}+\sqrt{{b}^{\mathrm{2}} +\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right){x}^{\mathrm{2}} }} \\ $$$${r}'=\mathrm{0}\:\Leftrightarrow\:\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right){x}^{\mathrm{4}} −\mathrm{2}\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right){x}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} ={x}\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}\right)\sqrt{{b}^{\mathrm{2}} +\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right){x}^{\mathrm{2}} } \\ $$$$\left(\mathrm{obviously}\:\mathrm{this}\:\mathrm{is}\:\mathrm{always}\:\mathrm{true}\:\mathrm{for}\:{x}=\mathrm{1}\right) \\ $$$$\mathrm{squaring}\:\mathrm{both}\:\mathrm{sides}\:\mathrm{and}\:\mathrm{transforming}\:\mathrm{we}\:\mathrm{get} \\ $$$$\left({x}^{\mathrm{2}} −\mathrm{1}\right)\left({x}^{\mathrm{6}} −\frac{\mathrm{2}−\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} }{x}^{\mathrm{4}} −\frac{\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} {x}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} }+\frac{{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} }\right)=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{and}\:\mathrm{we}\:\mathrm{can}\:\mathrm{always}\:\mathrm{find}\:\mathrm{an}\:\mathrm{exact}\:\mathrm{solution} \\ $$$$\mathrm{for}\:\mathrm{any}\:\mathrm{given}\:{b}\:\mathrm{with} \\ $$$${x}=\sqrt{{y}}\wedge{y}={z}+\frac{\mathrm{2}−\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right)} \\ $$$$\mathrm{and} \\ $$$${z}^{\mathrm{3}} −\frac{\mathrm{4}−\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{3}\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{2}} }{z}−\frac{\mathrm{16}−\mathrm{45}{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{27}{b}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{27}\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{3}} }=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow \\ $$$$\mathrm{0}<{b}<\mathrm{1}\vee\mathrm{1}<{b}<\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{6}}}{\mathrm{9}} \\ $$$${z}=−\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{4}−\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} }}{\mathrm{3}\left(\mathrm{1}−{b}^{\mathrm{2}} \right)}\mathrm{sin}\:\left(\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{3}}\mathrm{arcsin}\:\frac{\mathrm{16}−\mathrm{45}{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{27}{b}^{\mathrm{4}} }{\mathrm{2}\left(\mathrm{4}−\mathrm{3}{b}^{\mathrm{2}} \right)^{\mathrm{3}/\mathrm{2}} }\right) \\ $$$${b}=\mathrm{1} \\ $$$${r}'\:\mathrm{reduces}\:\mathrm{to}\:{x}^{\mathrm{3}} −\mathrm{2}{x}+\mathrm{1}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{x}=−\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}+\frac{\sqrt{\mathrm{5}}}{\mathrm{2}} \\ $$$$\frac{\mathrm{4}\sqrt{\mathrm{6}}}{\mathrm{9}}\leqslant{b}<\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}}\vee{b}>\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}} \\ $$$$\mathrm{we}\:\mathrm{get}\:{z}\:\mathrm{with}\:\mathrm{Cardano}'\mathrm{s}\:\mathrm{Formula} \\ $$$${b}=\frac{\mathrm{2}\sqrt{\mathrm{3}}}{\mathrm{3}} \\ $$$${z}^{\mathrm{3}} +\mathrm{4}=\mathrm{0}\:\Rightarrow\:{z}=−\mathrm{2}^{\mathrm{2}/\mathrm{3}} \\ $$