易混 2022 年山东预赛 · P006883
逐变量取最优前先检查变量是否独立。内角和会把三个角耦合起来,单项各自的最大点未必能同时达到;独立角变量的内层最优若不依赖外层,才可先消去一个变量。
前题构造在等角点取等、并对整个锐角区间成立的线性上界,再利用角和相加;后题先优化一个独立角的乘积,再对剩余角严格求全局最小值。
锐角三角形三角分式和的最大值
已知 为锐角三角形,求
的最大值。
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
先独立尝试,再展开工具说明与想法来源。
切线作为全局上界需要证明,单有相切并不足够。可对误差函数求导,检查在接触点左侧非正、右侧非负,再由接触点误差为零推出处处非负。
想法从哪来:先试等角三角形可以猜出候选最大值,但不能直接假设目标函数在整个锐角区间都凹。只需找到在等角点接触的一条线性上界:三角形角和固定,三条这样的直线相加后,变量部分就会消失。 如何选这条直线?先算单变量函数在等角点的值与导数,写出切线,再研究“切线减函数”。若它在等角点两侧先减后增,就说明这条切线在全区间都压住函数,而非只局部成立。导数整理为余弦二倍角的有理式后,符号因子能直接确定变号位置。最后逐项等号必须同时发生,才确认等角配置合法并实现全局上界。
三个角只有和为 这一耦合条件。与其直接处理三元式,不如先找一个在整个锐角区间成立、 且在 处取等的线性上界。导数分解后恰能证明该上界在 处达到最紧。
对 ,令
由于 ,可求得
从而
在 内恒有 。当 时, ;当 时,。 因此 在 上单调递减,在 上单调递增。 又
故对所有 ,
且等号仅在 时成立。
把 (2) 分别用于 ,并利用 ,得到
因此原式不超过
当 时,三角形为锐角三角形且等号成立,所以所求最大值为
式 (1) 的分母始终为正,导数变号点在锐角区间内只有 ;逐角不等式的等号条件 要求 ,与三角形内角和及锐角条件完全相容。
对称三角函数和式若只受 约束,可尝试构造在等角点相切的逐项线性上界。 把三元极值化为一元函数的单调性后,等号条件也能逐项锁定;使用这种方法时必须确认上界在 整个角度区间成立,而不只是等角点附近成立。
不能直接假设原函数全程凹,需在60度处构造恰可求和的线性上界,并通过导数分解验证整个锐角域后取等边。
易混 2022 年山东预赛 · P006883
逐变量取最优前先检查变量是否独立。内角和会把三个角耦合起来,单项各自的最大点未必能同时达到;独立角变量的内层最优若不依赖外层,才可先消去一个变量。
前题构造在等角点取等、并对整个锐角区间成立的线性上界,再利用角和相加;后题先优化一个独立角的乘积,再对剩余角严格求全局最小值。
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