每日一题[380]纸老虎

编者按 本文作者我爱数学,由meiyun编辑,有较大改动.

若$\alpha,\beta,\gamma$是任意实数,求$$\sqrt{|\sin\alpha-\sin\beta|}+\sqrt{|\sin\beta-\sin\gamma|}+\sqrt{|\sin\gamma-\sin\alpha|}$$的最大值.


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正确答案是$2+\sqrt 2$.

分析 刚看到这个题容易被它的外表唬住,这个题中除了有三个字母外,中学数学中比较难缠的绝对值与根号赶集似地出现在这道题中,但仔细分析这个题,会发现这只是一只“纸老虎”.

 记$$a=\sin\alpha,b=\sin\beta,c=\sin\gamma,$$由所求代数式的对称结构知,不妨设$a\geqslant b\geqslant c$,题目转化为:

已知$1\geqslant a\geqslant b\geqslant c\geqslant -1$,求$$\sqrt{a-b}+\sqrt{b-c}+\sqrt{a-c}$$的最大值,可以从两个角度考虑这个问题:

法一 在数轴上标出$a,b,c$,如下:

屏幕快照 2016-01-27 上午11.49.39

任意选定一点$b$,我们知道$a,c$离$b$越远越好,故$a=1,c=-1$时,所求代数式有最大值$$\sqrt 2+\sqrt{1-b}+\sqrt{b+1},$$再考虑$b$为何值时,$\sqrt{1-b}+\sqrt{b+1}$最大.

不管是平方还是均值都可以得到当$b=0$时,$\sqrt{1-b}+\sqrt{b+1}$取到最大值$2$,从而$$\sqrt{a-b}+\sqrt{b-c}+\sqrt{a-c}$$有最大值$2+\sqrt 2$,即为所求代数式的最大值.

法二 令$$x=\sqrt{a-b},y=\sqrt{b-c},z=\sqrt{a-c},$$则有$$x^2+y^2=z^2,x,y,z\in[0,\sqrt 2],$$求$x+y+z$的最大值.

可以令$$x=z\cos\theta,y=z\sin\theta,\theta\in\left[0,\dfrac {\pi}{2}\right ],$$于是$$\begin{split} x+y+z&=z(\cos\theta+\sin\theta+1)\\&=z\left[\sqrt 2\sin\left(\theta+\dfrac {\pi}{4}\right )+1\right ]\\&\leqslant (\sqrt 2+1)z\\&\leqslant 2+\sqrt 2.\end{split} $$当且仅当$z=\sqrt 2,x=y=1$时取到等号.

也可以由$$x+y\leqslant \sqrt{2(x^2+y^2)}=\sqrt 2z$$得到以上结果.

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