再论“多元变量局部调整”

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  笔者在2011年《考试(高考数学版)》第3—4期上发表拙文《多元变量局部调整》,并指出:对于富含多变量的条件最值问题,可以让大多数的变量固定,而让少数的变量变动,搞清所论的量对少数变量的依赖关系,然后局部调整,让固定的变量“活化”而动起来,达到“局部调整思想”解决问题的目的.并在文末对一类问题做了推广,得到如下结果:
  设n元函数y=f(x1,x2,…,xn),当xi∈(a,b)(i=1,2,…,n)时有定义,且∑ni=1xi=nc.若对任意1≤i≤j≤n,固定xk(k≠i,j),y随|xi-xj|的减少而减少(增大),则
  f(x1,x2,…,xn)≥f(c,c,…c)(或f(x1,x2,…,xn)≤f(c,c,…,c)).
  不妨称以上结果为结论1,类比结论1,可得如下结果:
  结论2设n元函数y=f(x1,x2,…,xn),当xi∈(a,b)(i=1,2,…,n)时有定义,且∏ni=1xi=cn.若对任意1≤i<j≤n,固定xk(k≠i,j),y随|xi-xj|的减少而减少(增大),则f(x1,x2,…,xn)≥f(c,c,…c)(或f(x1,x2,…,xn)≤f(c,c,…,c).).
  证明:∵ ∏ni=1xi=cn∴ n∏ni=1xi=c
  ∵ xi∈(a,b)(i=1,2,…,n)∴ c∈(a,b)
  显然,当x1=x2=…=xn=c时,等号成立.
  若x1,x2,…,xn不全相等,则总存在xi和xj,使得xi<c<xj,适当调整xi的次序,总可以使得i=1,j=2,即x1<c<x2.
  令x′1=c,x′2=x1x2c,则x′1x′2=x1x2且|x′2-x′1|=x1x2c-c=1c|x1x2-c2|=1c|x1x2-x1c+x1c-c2|=1c|x1(x2-c)+c(x1-c)|≤1c|x1(x2-c)|+|c(x1-c)|=x1c(x2-c)+|x1-c|<|x2-c|+|x1-c|=|x2-x1|
  固定x3,x4,…,xn,由y的性质f(x1,x2,…,xn)≥f(c,x′2,x3,…,xn).
  若x′2,x3,…,xn还不全相等,再适当调整xi的次序后,可使x′2<c<x3,进行同样的处理,得f(c,x′2,x3,…,xn)≥f(c,c,x′3,x4,…,xn).如此继续下去,至多n-1次,就可得f(x1,x2,…,xn)≥f(c,x′2,x3,…,xn)≥f(c,c,x′3,x4,…,xn)≥…≥f(c,c,…,c).
  至此,f(c,c,…c)不能再减少,因而是最小值.
  相反方向不等式的证明完全类似,这里从略.
  以下利用上述结论解决一道竞赛试题:
  题目:已知二次函数f(x)=ax2+bx+c各项系数均为正,且a+b+c=1.求证:对任何满足x1x2…xn=1的正数组x1,x2,…,xn,都有f(x1)f(x2)…f(xn)≥1.
  证明:显然f(1)=1.
  以下分两种情况讨论:
  (ⅰ) 若x1=x2=…=xn,则xi=1(i=1,2,…,n),f(x1)f(x2)…f(xn)=1,欲证不等式显然成立.
  (ⅱ)若x1,x2,…,xn不全相等,则总存在xi和xj,使得xi<1<xj.考虑到欲证不等式左边是轮换对称式,故可不妨设i=1,j=2,即x1<1<x2.此时
  f(x1)f(x2)=(ax21+bx1+c)(ax22+bx2+c)
  =a2x21x22+b2x1x2+c2+ab(x21x2+x1x22)+ac(x21+x22)+bc(x1+x2)①
  f(1)f(x1x2)=(a+b+c)(ax21x22+bx1x2+c)
  =a2x21x22+b2x1x2+c2+ab(x21x22+x1x2)+ac(x21x22+1)+bc(x1x2+1)②
  ①-②得f(x1)f(x2)-f(1)f(x1x2)
  =abx1x2(x1+x2-x1x2-1)+ac(x21+x22-x21x22-1)+bc(x1+x2-x1x2-1)
  =-abx1x2(x1-1)(x2-1)-ac(x21-1)(x22-1)-bc(x1-1)(x2-1)
  ∵ 0<x1<1<x2,a>0,b>0,c>0
  ∴ f(x1)f(x2)-f(x)f(x1x2)>0
  令x′1=1,x′2=x1x2,x′t=xt(t=3,4,…,n),则∏ni=1x′i=1,且诸x′i(i=1,2,…,n)仍为正.这样调整的结果,可使诸x′i中等于1的个数至少增加1个(当然最大的可能性是增加两个).
  ∴ ∏ni=1f(xi)-∏ni=1f(x′i)
  =[f(x1)f(x2)-f(x′1)f(x′2)]∏ni=3f(xi)
  =[f(x1)f(x2)-f(1)f(x1x2)]∏ni=3f(xi)
  ∵ 二次函数f(x)各项系数均为正,且诸xi(i=1,2,…,n)仍为正.
  ∴ f(xi)>0(i=1,2,…,n).
  ∴ ∏ni=1f(xi)-∏ni=1f(x′i)>0
  ∴ ∏ni=1f(xi)>∏ni=1f(x′i)
  若x′1=x′2=…=x′n=1,则命题证毕.若x′i(i=1,2,…,n)仍不全相等,则如上类似处理,这样调整的结果,每次都能使x1,x2,…,xn中等于1的个数至少增加1个.重复如上操作至多n-1次,必可使x1=x2=…=xn=1.从而有∏ni=1f(xi)>[f(1)]n=1.
  综上所述,由(ⅰ)(ⅱ)可知,∏ni=1f(xi)≥1.
  有必要指出的是本文中的结论1和结论2直接给出了此类问题的最值及取得最值时的条件,其证明过程给出了解决此类具体问题的解题思路.
  著名数学家、数学教育家弗赖登塔尔在《作为教育任务的数学》中指出:“反思是数学活动的核心和动力”,“类比是拓展数学问题最有效的方法和手段”.著名数学家、数学教育家G•波利亚在《怎样解题》中也指出:“当你找到第一棵蘑菇后,要环顾四周,因为它们总是成堆生长的.”我想,“环顾四周”的本质就是“反思”,就是“类比”,就是“大胆猜想,小心求证”,从而使数学由冰冷的“冰山一角”,经过我们“火热的思考”,展现出整座美丽的“冰山”.
  
  注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文
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