Question Number 63176 by ajfour last updated on 30/Jun/19
Commented by ajfour last updated on 30/Jun/19
$${Find}\:{maximum}\:{coloured}\:{area} \\ $$$${if}\:{line}\:{segments}\:{BP}\:{and}\:{AP}\: \\ $$$${lie}\:{entirely}\:{outside}\:{the}\:{circle}. \\ $$
Answered by mr W last updated on 30/Jun/19
$${let}\:\theta=\angle{APB},\:\varphi=\angle{ACB} \\ $$$${AB}=\sqrt{{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta} \\ $$$${AB}=\mathrm{2}{R}\:\mathrm{sin}\:\frac{\varphi}{\mathrm{2}} \\ $$$$\Rightarrow\varphi=\mathrm{2}\:\mathrm{sin}^{−\mathrm{1}} \frac{\sqrt{{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta}}{\mathrm{2}{R}} \\ $$$$\frac{{d}\varphi}{{d}\theta}=\frac{\mathrm{2}}{\:\sqrt{\mathrm{1}−\frac{{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta}{\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} }}}×\frac{{ab}\:\mathrm{sin}\:\theta}{\mathrm{2}{R}\sqrt{{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta}} \\ $$$$=\frac{\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{sin}\:\theta}{\:\sqrt{\left(\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)\left({a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)}} \\ $$$${A}_{{blue}} =\frac{\mathrm{1}}{\mathrm{2}}{ab}\:\mathrm{sin}\:\theta−\frac{{R}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{2}}\left(\varphi−\mathrm{sin}\:\varphi\right) \\ $$$$\frac{{dA}_{{bue}} }{{d}\theta}=\mathrm{0} \\ $$$${ab}\:\mathrm{cos}\:\theta−{R}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{1}−\mathrm{cos}\:\varphi\right)\frac{{d}\varphi}{{d}\theta}=\mathrm{0} \\ $$$${ab}\:\mathrm{cos}\:\theta−{R}^{\mathrm{2}} \left(\mathrm{2}\:\mathrm{sin}^{\mathrm{2}} \:\frac{\varphi}{\mathrm{2}}\right)\frac{\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{sin}\:\theta}{\:\sqrt{\left(\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)\left({a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)}}=\mathrm{0} \\ $$$${ab}\:\mathrm{cos}\:\theta−{R}^{\mathrm{2}} \left(\frac{\mathrm{2}\sqrt{{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta}}{\mathrm{2}{R}}\right)\frac{\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{sin}\:\theta}{\:\sqrt{\left(\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)\left({a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} −\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)}}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{cos}\:\theta−\frac{\mathrm{2}{R}\mathrm{sin}\:\theta}{\:\sqrt{\left(\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)}}=\mathrm{0} \\ $$$$\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} \:\mathrm{tan}^{\mathrm{2}} \:\theta=\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta \\ $$$$\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} =\left(\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} −{a}^{\mathrm{2}} −{b}^{\mathrm{2}} +\mathrm{2}{ab}\:\mathrm{cos}\:\theta\right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\theta\right) \\ $$$$\mathrm{1}=\left(\mathrm{1}−\frac{{a}^{\mathrm{2}} +{b}^{\mathrm{2}} }{\mathrm{4}{R}^{\mathrm{2}} }+\frac{{ab}}{\mathrm{2}{R}^{\mathrm{2}} }\:\mathrm{cos}\:\theta\right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\theta\right) \\ $$$$\mathrm{1}=\left(\mathrm{1}−\lambda+\mu\:\mathrm{cos}\:\theta\right)\left(\mathrm{1}+\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\theta\right) \\ $$$$\mathrm{0}=−\lambda+\mu\:\mathrm{cos}\:\theta+\left(\mathrm{1}−\lambda\right)\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\theta+\mu\:\mathrm{cos}^{\mathrm{3}} \:\theta \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{cos}^{\mathrm{3}} \:\theta+\frac{\mathrm{1}−\lambda}{\mu}\:\mathrm{cos}^{\mathrm{2}} \:\theta+\mathrm{cos}\:\theta−\frac{\lambda}{\mu}=\mathrm{0} \\ $$$$\Rightarrow\mathrm{cos}\:\theta=….. \\ $$