这是一道条件最值问题:
已知a,b>0,且1a+1b=23,求1a−1+4b−1的最小值.
正确答案是74.
解 我们知道柯西不等式有一种重要变形:b21a1+b22a2+⋯+b2nan⩾其中a_i,b_i>0(i=1,2,\cdots,n),等号取得的条件是\dfrac{b_1}{a_1}=\dfrac{b_2}{a_2}=\cdots=\dfrac{b_n}{a_n}.
这一变形是利用柯西不等式处理包含分式的代数不等式的重要变形.
在本题中,可以尝试利用柯西不等式将分式\dfrac{1}{a-1}设法向\dfrac{1}{a}转化,如\dfrac{1}{a-1}+\dfrac 11\geqslant \dfrac 4a.为了使得我们可以控制取等条件,可以引入参数\dfrac{1}{a-1}+\dfrac{\lambda^2}1 \geqslant \dfrac{(1+\lambda)^2}{a},其中\lambda>0.为了可以使用已知条件,处理\dfrac{4}{b-1},有\dfrac{4}{b-1}+\dfrac{(\lambda -1)^2}1 \geqslant \dfrac{(1+\lambda)^2}{b},其中\lambda>1,两式相加可得\dfrac{1}{a-1}+\dfrac 4{b-1}\geqslant \dfrac 74-\dfrac{4}{3}\left(\lambda-\dfrac 54\right)^2.
接下来通过取等条件确定参数\lambda的值,即\begin{cases} \dfrac{1}{a-1}=\lambda,\\\dfrac{2}{b-1}=\lambda -1,\\ \dfrac 1a+\dfrac 1b=\dfrac 23,\end{cases} 解得\lambda =\dfrac 54,a=\dfrac 95,b=9,于是所求的最小值为\dfrac 74-\dfrac{4}{3}\left(\lambda-\dfrac 54\right)^2=\dfrac 74.
最后把题目改一下留给读者做练习.
已知a,b>0,且\dfrac 1a+\dfrac 1b=2,求\dfrac 1{a+1}+\dfrac 4{b+1}的最大值.
答案是\dfrac{11}4.
提示 如下引入参数\dfrac 1a+\dfrac{\lambda^2}{1}\geqslant \dfrac{(1+\lambda)^2}{a+1},\\\dfrac 1b+\dfrac{(2\lambda +1)^2}{1}\geqslant \dfrac{(2+2\lambda)^2}{b+1},最后解得\lambda =\dfrac 13,a=3,b=\dfrac 35.
注 这个问题也可以通过将一个参数用另一个参数表示,代入后转化为求分式函数的最值.