已知圆 $O$ 的半径为 $2$,弦 $AB$ 和弦 $CD$ 相等,且圆心 $O$ 到 $AB,CD$ 的距离均为 $1$,则四边形 $ABCD$ 面积的取值范围为
【难度】
【出处】
2014年第二十五届“希望杯”全国数学邀请赛高一(一试)
【标注】
【答案】
$\left(3\sqrt 3,4\sqrt 3\right]$
【解析】
如图所示:因为圆 $O$ 半径为 $2$,$AB=CD$,且 $O$ 到 $AB,CD$ 的距离均为 $1$,所以$$AB=CD=2\sqrt{2^2-1^2}=2\sqrt 3,$$且$$\angle{AOB}=\angle{COD}=\dfrac{2\pi}{3},$$所以$$\angle{AOD}+\angle{BOC}=\dfrac {2\pi}{3}.$$设 $\angle{AOD}=\theta$($0<\theta<\dfrac{2\pi}{3}$),四边形 $ABCD$ 的面积为 $S$,则\[\begin{split}S&=2\cdot \dfrac 12 \cdot 2\cdot 2 \cdot \sin{\dfrac{2\pi}{3}}+\dfrac 12 \cdot 2\cdot 2\cdot \sin \theta+\dfrac 12 \cdot 2\cdot 2\cdot \sin\left(\dfrac{2\pi}{3}-\theta\right)\\&=2\sqrt 3+2\left(\sin \theta+\sin\left(\dfrac{2\pi}{3}-\theta\right)\right)\\&=2\sqrt 3+2\sqrt 3\sin\left(\theta+\dfrac {\pi}{6}\right).\end{split}\]因为 $0<\theta<\dfrac {\pi}{6}$,所以$$\dfrac 12<\sin\left(\theta+\dfrac{\pi}{6}\right)\leqslant 1,$$因此$$3\sqrt 3<S\leqslant 4\sqrt 3.$$
题目 答案 解析 备注
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