每日一题[408]巧换元,妙化简

这是我在QQ群中国数学解题研究会看到的问题:

若正实数$x,y$满足$(2xy-1)^2=(5y+2)(y-2)$,则$x+\dfrac 1{2y}$的最大值为_______.


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正确答案是$\dfrac {3\sqrt 2}{2}-1$.

   先进行常规的转化,根据已知条件,有$$\left(2x-\dfrac 1y\right)^2=\left(5+\dfrac 2y\right)\left(1-\dfrac 2y\right).$$

此时可以考虑换元,令$2x=m$,$\dfrac 1y=n$,则问题转化为求$\dfrac {m+n}2$的最大值,而条件转化为$$(m-n)^2=(5+2n)(1-2n),$$即$$m^2+5n^2-2mn+8n-5=0.$$接下来可以考虑判别式法,但是估计运算量不小.

怎么办呢?

分析刚才换元中的不足之处,有两点:

① 只是简单替换,左右两边还是需要展开;

② 右边有点像平方差公式,没有利用好.

因此先换元$\dfrac 2y=n-2$处理右边,此时$$\left(5+\dfrac 2y\right)\left(1-\dfrac 2y\right)=(3+n)(3-n)=9-n^2,$$而直接设$2x-\dfrac 1y=m$处理左边,此时问题转化为求$$\dfrac 12\left(2x+\dfrac 1y\right)=\dfrac 12(m+n-2)$$的最大值,条件转化为$$m^2+n^2=9,$$其中$m+\dfrac 12n-1>0$且$n>2$.

此时$$\dfrac 12(m+n-2)\leqslant \sqrt{\dfrac{m^2+n^2}2}-1=\dfrac{3\sqrt 2}2-1,$$等号当且仅当$m=n=\dfrac{3}{\sqrt 2}$时取得.因此所求的最大值为$\dfrac{3\sqrt 2}2-1$.


其他方法(由meiyun提供)

注意到$$x+\dfrac{1}{2y}=\dfrac {2xy+1}{2y},$$于是结合已经条件得所求式子为$$\dfrac {\pm\sqrt{(5y+2)(y-2)}+2}{2y},y\geqslant 2.$$当$2xy-1\leqslant 0$时,有$x<\dfrac {1}{2y}\leqslant \dfrac 14$,从而$$x+\dfrac {1}{2y}\leqslant \dfrac 14+\dfrac 14=\dfrac 12.$$当$2xy-1>0$时,令$$t=\dfrac {\sqrt{(5y+2)(y-2)}+2}{2y},$$将$y$看成自变量整理该式得$$(4t^2-5)y^2+8(1-t)y+8=0,$$这个关于$y$的方程有解的必要条件是$$4t^2-5=0$$或$$\begin{cases} 4t^2-5\ne 0,\\\Delta=-32(2t^2+4t-7)\geqslant 0.\end{cases}$$解得$$t=\dfrac {\sqrt 5}{2}\lor t\leqslant \dfrac {3\sqrt 2}{2}-1,$$其中等号成立时$y=8+6\sqrt 2$满足要求.而$$\dfrac 12<\dfrac {\sqrt 5}{2}<\dfrac {3\sqrt 2}{2}-1,$$故所求代数式的最大值为$\dfrac {3\sqrt 2}{2}-1$.

 其他方法求最值的过程中用到了判别式法,对于这种自变量有限制的情况用判别式法求值域需要特别慎重,但对于求最值的问题,可以借助于判别式法探索出必要条件,再说明这个最值可以取到,大家可以理解一下求值域与求最值的区别.另外,我提供的这个其他方法好像是为了烘托原题解法的NB的……(meiyun).

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