每日一题[1867]先猜后证

已知 $a>0$,$b>0$,$m>0$,不等式 $\sqrt{\dfrac{a^2}{a^2+b^2}}+m\sqrt{\dfrac b{a+b}}\leqslant \dfrac{5\sqrt 2}2$ 恒成立,则 $m$ 的最大值为_______.

答案    $\dfrac{5\sqrt 2}2$.

解析    一方面,取 $a\to 0$,可得 $m\leqslant \dfrac{5\sqrt 2}2$.

另一方面,取 $m=\dfrac{5\sqrt 2}2$,原不等式即\[\sqrt{\dfrac{a^2}{a^2+b^2}}\leqslant \dfrac{5\sqrt 2}2\left(1-\sqrt{\dfrac b{a+b}}\right)\iff \dfrac{a^2}{a^2+b^2}\leqslant \dfrac{25}2\left(1-2\sqrt{\dfrac{b}{a+b}}+\dfrac{b}{a+b}\right),\]也即\[25\sqrt{\dfrac{b}{a+b}}\leqslant \dfrac{25}2+\dfrac{25}2\cdot \dfrac{b}{a+b}-\dfrac{a^2}{a^2+b^2},\]注意到\[\dfrac{a^2}{a^2+b^2}=\dfrac{2a^2}{2a^2+2b^2}\leqslant \dfrac{2a^2}{(a+b)^2},\]设 $\dfrac{a}{a+b}=x$,只需要证明\[25\sqrt{1-x}\leqslant \dfrac{25}2(2-x)-2x^2,\]即\[625(1-x)\leqslant 625 - 625 x + \dfrac{225x^2}4+ 50 x^3 + 4 x^4,\]成立.

综上所述,$m$ 的最大值为 $\dfrac{5\sqrt 2}2$.

备注    设 $\dfrac{b}{a+b}=x$,则 $0<x<1$,且 $a=\dfrac{1-x}xb$,于是\[\dfrac{1-x}{\sqrt{x^2+(1-x)^2}}+m\sqrt x\leqslant \dfrac{5\sqrt 2}2\iff m\leqslant \dfrac{5}{\sqrt {2x}}-\dfrac{1-x}{\sqrt{2x^3-2x^2+x}},\]用 $\tt mma$ 发现右侧 $f(x)$ 是单调递减函数,因此 $m$ 的最大值为 $f(1)=\dfrac{5\sqrt 2}2$.

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