飯高先生のWebサイト「数の不思議世界」(平成30年1月9日付け)で、HN「壊れた扉」さ
んが提起された問題:
長方形の周の長さは、それと等しい面積の円の円周より必ず長くなることを示せ。
が面白そうだったので考えてみた。
例えば、半径2の円の面積は、4π(≒12.566) で、円周の長さは、4π(≒12.566)
面積が12.566の長方形をいくつか考えてみると、それらの周の長さは、
左より、 2×(5.712+2.2)=15.824
2×(2.856+4.4)=14.512
2×(3.545+3.545)=14.18
となって、いずれも円周の長さより長い。しかも、正方形に近い形ほど周の長さが最小っぽく
なり、円周の長さに近づくようだ。
上記では、3つの場合を調べたが、この事実は、いつも言えることらしい。
(証明) 面積が一定のとき、周の長さが最小になるのは正方形のときである。
そこで、円の半径を r とし、正方形の一辺の長さを x とおくと、題意より、 x2=πr2
すなわち、 x=(√π)r である。このとき、正方形の周の長さは、 4(√π)r で、
円周の長さは、 2πr なので、 4(√π)r−2πr=2(√π)r(2−(√π)) において、
22−(√π)2=4−π>0 より、 2−(√π)>0
よって、 4(√π)r>2πr となり、長方形の周の長さは、円周より長くなる。 (証終)
(コメント) (√π)の近似値が気になったので調べてみたら、(√π)≒1.77245385・・・
4(√π)r−2πr≒(0.80663・・・)r なので、長さを議論するほどには競ってないかな?