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数海拾贝

[小编精选](四) 对《还是熟悉的配方,还是原来的味道》的思考

2016年03月27日 meiyun 数海拾贝

本文作者我爱数学

近读《数海拾贝》上的一篇文章《还是熟悉的配方,还是原来的味道》,受益匪浅,但又觉得意犹未尽,作了如下思考.原文的例题1如下:

已知点P(x,y)为曲线xy?52x?2y+3=0上一点,求x2+y2的最小值.


原解答采用拉格朗日配方法进行了配方,得到x2+y2=x2+y2+(xy?52x?2y+3)=(x+12y?54)2+34(y?12)2+54.从而有x2+y2?54且当x=1,y=12时取到等号.

为此引出了思考一 为什么只添加一倍的零?

我们添加λ倍的零,试试看:

x2+y2=x2+y2+λ(xy?52x?2y+3)=x2+(λy?52λ)x+y2?2λy+3λ=(x+2λy?5λ4)2+(1?λ24)y2+λ(54λ?2)y+λ(3?2516λ).

1?λ24?0,即?2?λ?2,此时当y=λ(2?54λ)2(1?λ24)=λ(8?5λ)2(4?λ2),x=54λ?λ2y=λ(5?2λ)4?λ2时,x2+y2有最小值.

又点P(x,y)满足xy?52x?2y+3=0,故λ(5?2λ)4?λ2?λ(8?5λ)2(4?λ2)?52?λ(5?2λ)4?λ2?2?λ(8?5λ)2(4?λ2)+3=0,整理得{\lambda}^{4}-18{\lambda }^{2}+41\lambda-24=0,用试根的方法得,\lambda 可以取1,此时x=1,y=\dfrac{1}{2}.

思考二 有没有其它方法?

因式分解的功夫可以影响一个人的解题能力,对xy-\dfrac{5}{2}x-2y+3=0可作如下分解:(x-2)\left(y-\frac{5}{2}\right )=2,从而有y=\dfrac{5}{2}+\dfrac{2}{x-2}.可以断言:这是一条双曲线,于是问题转换为:

曲线y=\dfrac{5}{2}+\dfrac{2}{x-2}(x<>上的点到原点距离的平方的最小值.

为方便起见,先介绍一个引理.

引理 方程{{t}^{4}}+2{{t}^{3}}-5t-4=0(-\infty ,0)上仅有一个根.

设点P(x,y)为曲线y=\dfrac{5}{2}+\dfrac{2}{x-2}(x<>上一点,其与原点连线的斜率为{{k}_{1}}=\dfrac{\frac{5}{2}+\frac{2}{x-2}}{x},P(x,y)处的切线斜率为k_2=-\dfrac{2}{(x-2)^2},当{{k}_{1}}{{k}_{2}}=-1时,P到原点的距离最小.从而有\frac{\frac{5}{2}+\frac{2}{x-2}}{x}\cdot \frac{2}{{{(x-2)}^{2}}}=1,

t=x-2<>得:\frac{5+\frac{4}{t}}{t+2}\cdot \frac{1}{{{t}^{2}}}=1,{{t}^{4}}+2{{t}^{3}}-5t-4=0,由引理知t=-1x=t+2=1y=\dfrac{5}{2}+\dfrac{2}{x-2}=\dfrac{1}{2}

P到原点的最小距离为\sqrt{1+\dfrac{1}{4}}=\dfrac{\sqrt{5}}{2},其平方为\dfrac{5}{4}


引理的证明 显然t=-1是方程的根,于是我们可以因式分解得:(t+1)({{t}^{3}}+{{t}^{2}}-t-4)=0.只需证明f(t)={{t}^{3}}+{{t}^{2}}-t-4(t<>没有零点.

f(t)求导得f'(t)=3{{t}^{2}}+2t-1=(t+1)(3t-1),所以f(t)(-\infty ,-1)上单调递增,在\left(-1,\dfrac{1}{3}\right )上单调递减.

f(t)\left(-\infty ,\dfrac{1}{3}\right )上的极大值为f(-1)=-3.引理得证.


小编点评 本文的思考一的解法需要很强的计算能力,有兴趣的读者可以尝试,对于符号的运算能力是高中要求的一个基本能力,这样的能力的培养与提升只能亲自动手去多算多练,当然对化简变形方向的思考与积累也必不可少.(说明:2.22-2.28之间没有读者投稿,本篇投稿是之前的,后面遇到某周没有投稿的情况,本栏目会推出之前的投稿,也可能暂停到有合适的投稿时继续)

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关于数海拾贝

“数海拾贝”由中国最顶尖的高中数学教研老师兰琦和金叶梅主编。第一个栏目《每日一题》,每天精选一道高中数学好题,从破题的思路,图文并茂的讲解到精辟到位的总结,同学们每天只要花上10分钟认真阅读和思考,一定能在两三个月获得明显的进步,在高考中取得好成绩。

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