殊途同归——从一道经典的多元最值问题说开

写在前面:

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很久没有更新了,因为现在在墨尔本交换,刚开始还有点不适应(原谅给自己的偷懒找了一个小小的理由),但是每次写出来的东西一定是我自己觉得非常棒的东西,想和大家分享的东西。

如果我自己都看不过去的话,我一定不会发出来,宁愿是一种荒废或者停止更新的状态。

每写一篇原创文章基本要花费将近数小时的时间,从形成思路,收集资料,整理,包括手敲数学符号,排版,润色,有些情况下还要自己重新画图,最终还要想着怎么给大家呈现出来更容易理解,真的非常不容易。

这里也非常感谢那些关注我微信公众号,在我长久没有产出原创作品的情况下,依然没有取关的小伙伴们,你们肯定是真爱,哈哈,我会努力的。

先放上题目:已知a^{2}+3 b^{2}=1 ,a+3 b的最大值.

首先,全国新课标卷地区很少考到这种题目,作为一种拓展思路的方式,如果考察的话,也是作为选修4-5:不等式选讲的考察内容。

但是这部分内容往往是考察绝对值不等式,包括含参数的分类讨论,近十年来只有两三年考察了这种形式的不等式求最值。

占据大多数情况的绝对之不等式考察形式:

绝对之不等式考察形式

少部分情况下多元变量不等式考察形式:

多元变量不等式考察形式

虽然考察少,但是选做4-5的小伙伴也不要放松警惕。

全国新课标卷考察不等式往往是含在函数,导数求最值的过程中,一般直截了当的考察比较少(除了线性规划作为独立考察内容)。

视角一:柯西不等式

柯西不等式

这是我们最容易想到是一种求解思路,而且也可以说是学习柯西不等式时候的一道典型例题。

(a+3 b)^{2} \leq(1+3)\left(a^{2}+3 b^{2}\right)=4

\therefore(a+3 b)_{\max }=2

这种情况下要注意等号成立的条件

非常典型的思路,接下来还会有哪些视角?

视角二:参数法(三角换元)

a=\cos \alpha, b=\frac{1}{\sqrt{3}} \sin \alpha ,

a+3 b=\cos \alpha+\sqrt{3} \sin \alpha=2 \sin \left(\alpha+\frac{\pi}{6}\right)

其中\alpha=\frac{\pi}{3}+2 k \pi, k \in Z

通过换元,我们将求最值问题转化成为求三角函数最值的问题,相信是大家都比较擅长是做法。

而且对选考选修4-4:极坐标与参数方程的小伙伴来说也是一种练习。

视角三:数形结合

考虑其几何意义,转化为x,y来看的话,

由题可知:可行域为椭圆,目标函数为直线

画出图形易得直线与椭圆相切的时候,为目标函数的最值。

这里我们不妨看看课本中类似的题目(因为我总是强调回归课本的重要性)。

这是节选自人教A版数学课本选修2-1的一道课本例题,很能说明问题的。


人教A版数学课本选修2-1的一道课本例题

人教A版数学课本选修2-1的一道课本例题

针对这个题目,我们用geogebra画图软件作图。


geogebra画图软件作图

两个相切的位置,分别就是最大值和最小值所代表的位置。

这两种方法的好处在于我不仅仅能够求出最大值,还能够求出最小值,也就是说可以确定整个取值范围,是可以推广的方法,而且联系了三角函数和圆锥曲线的知识,很棒。

视角四:权方和不等式

可能有一些小伙伴还不知道权方和不等式,第一次听说,不过没有关系,这里我会简单介绍一下这个不等式,可以简单理解为柯西不等式的一种变形,以后有机会的话我会专门拿出来写一篇文章深入讲解一下。

首先,我们根据柯西不等式知道:
(a c+b d)^{2} \leq\left(a^{2}+b^{2}\right)\left(c^{2}+d^{2}\right)
对柯西不等式变形,有
\left(\frac{a^{2}}{x}+\frac{b^{2}}{y}\right)(x+y) \geq(a+b)^{2}
a, b, x, y>0时,我们就有
\frac{a^{2}}{x}+\frac{b^{2}}{y} \geq \frac{(a+b)^{2}}{x+y}
\frac{a}{x}=\frac{b}{y}时,等号成立。

这就是我们今天要讲的权方和不等式。

利用权方和不等式可以巧妙的解决一些多元最值问题。我们就从今天这个题目来说明权方和在求最值中的应用。

\frac{(a+3 b)^{2}}{a^{2}+3 b^{2}} \leq \frac{(a)^{2}}{a^{2}}+\frac{(3 b)^{2}}{3 b^{2}}=4 \therefore(a+3 b)_{\max }=2

有没有感觉非常快速并且好用,哈哈哈,开心。

附上练习

最后大家拿下面这个题目练一下手就可以啦。
已知x>0, y>0 ,x+y=1 ,\frac{1}{x^{2}}+\frac{8}{y^{2}}的最小值为__________________.
答案:27

完美结束。
如果大家看完这篇文章,能有很大的收获,我就开心啦。希望大家喜欢,更多文章敬请期待。

END

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