不等式中”多元最值问题”求解的转换策略

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  摘要:多元函数进入了中学数学,尤其是与多元函数数有关的值领域或最重要的值问题,在高考题中经常出现。这类问题的解决具有很强的技巧,方法灵活多变,对中学生具有一定的挑战,因此成为高中数学最有价值的一类问题的难点。笔者对不等式中”多元最值问题”求解的转换策略进行了研究,提出了以下观点,仅供参考。
  关键词:不等式;多元最值问题;求解
  中图分类号:G4 文献标识码:A
  前言
  为了提高学生的解题能力,培养学生的思维能力,本文讨论了无条件最值问题、条件最值问题和含参不等式恒成立问题中的参数最值问题。
  一、均值不等式
  例1,若a>b>c>0,求2a2+1/ab+1/ a(a-b)-10ac+25c2的最小值。
  分析:在这一题目当中是没有办法直接使用不等式的,因此首先可以觀察到a2-10ac+25c2=(a-5c)2,并且还可以发现a2-ab=a(a-b),所以需要采取一定措施得到-ab。
  解:2a2+1/ab+1/ a(a-b)-10ac+25c2=a2-ab+1/ a(a-b)+ab+1/ab+(a-5c)2≥4+(a-5c)2≥4.当且仅当a2-ab=1/a2-ab,ab=1/ ab以及(a-5c)2=0时,等式成立,即a=√2, b=√2/2, c=√2/2时,等号成立。
  变式,设x,y, z为正实数,求10x2+10t2+z2/xy+yz+ zx的最小值.
  分析对于类似ax2+by2+cz2/exy+fyz+ gzx的这类式子运算使用不等式时,需要将x2,y2, z2进行合理的分配。比如将其改写为2(x2+y2)+(8x2+1/2z2)+(8y2+1/2z2)/xy+yz+zx,便可以得出结果。
  二、无条件最值问题
  [例 1]已知 x,y,z 为非零实数,则 xy+yz+ xz/x2+y2 +z2的最大值为.
  思路1:因为 x2 + y2/2≥xy,y2+z2/2≥yz,z2 +x2/2≥zx,x2 + y2/2 + z2+x2/2+y2+z2/2≥xy+yz+zx,即x2+y2+z2 ≥ xy + yz+zx.所以xy+yz+xz/x2+y2+z2≤1,当且仅当x=y=z时取等号,故xy+yz+xz/x2+y2+z2的最大值为1.
  思路 2:因为xy + yz+ xz/x2 + y2 +z2为齐次分式,所以可以设 x + y + z = 1,或者,可用x/x + y + z,y1x + y + z,z/x + y + z取代x, y, z,化简后目标函数形式不变 .令t =xy + yz + xz, 则x 2 + y2 + z2 = 1 - 2t, xy+yz+xz/x2+y2+z2 =t/1 - 2t =1/1/t- 2. 由思路 1 可知 t ≤ 1- 2t  t ≤13,从而xy + yz+xzx/ 2+ y2 +z2≤1. 当且仅当x= y = z = 1/3 时取等号,故xy + yz+xz/x 2 + y2 + z2的最大值为1.
  思路3:取 a = ( x,y, z) b = ( y, z, x) ,则 a  b = xy +yz + zx, |a| = |b| =√ x2 + y2 + z2,则cos < a,b >= a×b/ |a||b| = xy+yz +zx/√x2 + y2+z2√x2+ y2 + z2 =xy + yz + zx
  /x2+y2 + z2 ≤ 1,等号成立当且仅当 a与b同向,即x = y=z.
  [例2]设实数 a, b, c 满足 a2 +b2 ≤ c ≤1,则 a +b + c的最小值为.
  思路1:因为 c ≥a2+b2,所以a+b+c≥a+b + a2 + b2 =(a + 1/2)+(b+1/2)2- 1/2.故 a + b + c的最小值为-
  1/2.
  思路 2:因为 c ≥ a2 + b2,所以a+b+c≥a+b +a2 + b2. 又 因 为 a2 + b2 ≥ (a + b)2/2,故a+b+c≥a+b + a2 + b2 ≥ (a +2 b)/2 + (a +b)=1/2[(a+b)+1]2-/12.故 a + b + c的最小值为-1/2.
  三、含参不等式恒成立问题中的最值问题
  已知x, y ∈ R,且满足xy ≠ 0和3x2 + 4xy ≤λ( x2 + y2 )恒成立,试求实数λ的最小值.
  思路1:依题可得3x2+4xy≤3x2+(x2+4y2)=4(x2+y2).因为x,y均不为0,故3x2+4xy/x2+y2≤4,所以λ≥4.故实数λ的最小值为4.
  思路2:因为x,y均不为0,所以λ≥3x2+4xy/x2+y2=3+4×y/x/1+(y/x)2.令t=yx,则λ≥3+4t/1+t2,记f(t)=3+4t/1+t2,令s= 3+4t,则y = f (t)= s/1+(s-3/4)2=1/1/16 ×(s+25/s)- 3/8.∵ s + 25/s ≥ 2√ 25=10(等号成立当且仅当 s =5),∴y≤4,
  即ymax=4,因此λ≥4,故实数λ的最小值为4.
  思路3:因为3x2 +4xy≤λ(x2 +y2),所以 (λ-3)x2-4xy +λy2≥0.当λ = 3时,则 3y2-4xy≥0显然不成立.当λ ≠ 3时,同除y2得 (λ - 3)(x/y)2- 4 ×xy +λ≥0.故{λ-3>0 ,16-4λ(λ - 3) ≤ 0 ,解得 λ ≥ 4.
  四、结语
  多元函数最重要的问题是学习过程中的一个难点。在学习过程中,它往往融合了函数、不等式、三角函数,需要对求解策略进行不断的思考、概括和总结。在以后的学习练习中,有必要观察和思考多变量函数的最佳化问题,不应总结求解多元最优性函数的方法和技术。这些方法和技术不是孤立的,而是相互关联的。因此,学生应该仔细地理解每一种方法背后的本质,以便能够自由地应用。
  参考文献
  [1]刘奕辰 ,郭建华 .漫谈多元函数最值问题的求解策略[J].中学数学研究,2018
  [2]范习昱.刍议多变元最值问题的求解策略[J].高中数学教育学,2014:19.
  [3]卢阳.例析多元函数最值问题的求解策略[J].中学数学研究,2018:45-48.
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