對(duì)兩道柯西不等式問(wèn)題的困惑與解惑

廣西南寧三中(530021) 王強(qiáng)芳

對(duì)兩道柯西不等式問(wèn)題的困惑與解惑

廣西南寧三中(530021) 王強(qiáng)芳

筆者在競(jìng)賽輔導(dǎo)時(shí)選講了如下題目,

分析1 由于三個(gè)被開(kāi)方數(shù)的和是常數(shù),可考慮直接使用柯西不等式,則

證明失敗!

分析2 如果將變?yōu)檫@時(shí)后面部分式子的三個(gè)被開(kāi)方數(shù)的和也是常數(shù),由柯西不等式得

證明成功!

分析3 如果考慮后面兩項(xiàng)利用關(guān)系,則得

分析4 如果將原式子變?yōu)橛煽挛鞑坏仁?/p>

上面幾種方法中,第一種是直接使用柯西不等式,結(jié)果失敗了,后面三種都是局部使用柯西不等式而保留變量x,最后利用函數(shù)的單調(diào)性使得證明成功!為什么會(huì)出現(xiàn)這些問(wèn)題?但是如果我們作以下的變形再直接使用柯西不等式會(huì)出現(xiàn)：

分析5由柯西不等式

這種證明方法就成立!這就是我們解這道題的困惑!

題目2(2009聯(lián)賽15)求函數(shù)的最大值和最小值.(先討論最大值的情形)分析1直接使用柯西不等式,則有

分析2由柯西不等式

即y≤11.當(dāng)且僅當(dāng)4x=9(13-x)=x+27,x=9y取得最大值11.顯然11＜.兩種解法結(jié)果不同,至少有一個(gè)是錯(cuò)誤的！當(dāng)我們對(duì)三個(gè)根號(hào)配不同的系數(shù)且保證三個(gè)被開(kāi)方數(shù)的和是常數(shù),肯定會(huì)得到不同的結(jié)果,究竟哪一種解法是對(duì)的呢?下面通過(guò)對(duì)題2的解答來(lái)回答這個(gè)疑問(wèn).

證法1 由柯西不等式,考慮正數(shù)λ,μ使得：

等號(hào)成立的充要條件是

由②消去x得

為使得 ①的右端與x無(wú)關(guān),令1-λ+μ=0,可得到滿(mǎn)足 ③的一組整數(shù)解λ=3,μ=2,將它們代入 ①得到y(tǒng)2≤121,即y≤11.由柯西不等式等號(hào)成立的條件得4x=9(13-x)=x+27,解得x=9,故當(dāng)x=9時(shí)等號(hào)成立,故y的最大值是11.

用同樣方法可處理題1而不會(huì)犯錯(cuò)誤!而前面解法1失敗原因在于取最值時(shí),當(dāng)不等式取等號(hào)時(shí)所得的方程中,該方程無(wú)實(shí)數(shù)解.

從以上兩個(gè)問(wèn)題的解答中,用柯西不等式解答其實(shí)際上都是構(gòu)造兩列數(shù)(即構(gòu)造兩個(gè)已知向量,并且每個(gè)向量的模都是定值),但構(gòu)造的形式不同導(dǎo)致其結(jié)果就不同.如果遇到類(lèi)似的問(wèn)題要用柯西不等式解題,怎么配系數(shù)?有什么規(guī)律?上面使用的配方法已經(jīng)回答了這個(gè)問(wèn)題.

當(dāng)然,題目2還有下面的方法.比如,

證法2 易見(jiàn),y(x)的定義域?yàn)閇0,13],并且

顯然y′在定義域內(nèi)單調(diào)遞減,即y′在定義域之內(nèi)至多有一個(gè)零點(diǎn).又x=9時(shí),y′=0即函數(shù)只有唯一的駐點(diǎn)x=9.比較x=0,x=9,x=13時(shí)的函數(shù)值,知x=0時(shí),;當(dāng)x=9時(shí),y=11;當(dāng)x=13時(shí),而.所以, y的最小值為;y的最大值為y(9)=11.

以下我們?cè)賮?lái)考慮題目1的其它證法.

證法2 由柯西不等式得：

從而,

證法3取λ,μ∈R+且滿(mǎn)足λ+2μ=3,則由柯西不等式得

證法5

又由基本不等式知

由上文的例子可見(jiàn),在應(yīng)用柯西不等式解題中,常常由于選擇系數(shù)不當(dāng)而導(dǎo)致錯(cuò)誤,而配方法可以引領(lǐng)我們走出誤區(qū)!