一道题二十一种解法:x²+3xy+4y²=7 求 x+2y 的最大值

正数 x,yx,y 满足 x2+3xy+4y2=7x^2+3xy+4y^2=7,求 x+2yx+2y 的最大值,答案 222\sqrt2。二十一种解法横跨初中到高中:不等式、函数方程、三角换元、解三角形、椭圆、向量、复数与概率统计。

经典多解母题 共 21 种解法 · 覆盖 2 个学段

已知正数 x,yx,y 满足 x2+3xy+4y2=7x^2+3xy+4y^2=7,求 x+2yx+2y 的最大值。

答案:x+2yx+2y 的最大值为 222\sqrt2,当且仅当 x=2yx=2y,即 x=2, y=22x=\sqrt2,\ y=\dfrac{\sqrt2}{2} 时取到。

适用前提与边界条件

  1. x,yx,y 都是正数,开方取正、解三角形时角的范围都依赖这一条件
  2. 全部结论只在实数范围内成立
  3. 最大值必须验证等号确实能取到:二十一种解法的等号条件统一为 x=2yx=2y,即 (x,y)=(2,22)(x,y)=(\sqrt2,\frac{\sqrt2}{2})

知识地图

一道题,21 条路。初中到高中的工具轮番上场,每一步都只是旧知识的新组合。

x2+3xy+4y2=7⇒max⁡(x+2y)=?x^2+3xy+4y^2=7 \Rightarrow \max(x+2y)=?
小学 初中 高中 大学 判别式法 一元二次方程 · 判别式 构造三角形+平面… 等腰三角形 · 圆周角定理… 构造数据(方差非… 平均数 · 方差 平方代换+基本不… 基本不等式 · 完全平方公… 配凑基本不等式 基本不等式 · 整体放缩 齐次化 齐次化 · 基本不等式 柯西不等式 配方法 · 柯西不等式 权方和不等式 配方法 · 权方和不等式 待定系数 待定系数法 · 基本不等式 构造函数求导 一元二次方程求根 · 导数… 正向三角换元 配方法 · 辅助角公式 反向三角换元 三角恒等变换 · 二倍角公… 构造三角形+正弦… 余弦定理 · 正弦定理 ·… 构造三角形+面积… 三角形面积公式 · 外接圆 椭圆参数方程 椭圆的标准方程 · 参数方… 椭圆切线(非线性… 直线与椭圆相切 · 判别式 旋转坐标轴到椭圆… 坐标旋转 · 椭圆的几何性… 向量内积(柯西的… 平面向量数量积 向量模的三角不等… 平面向量 · 向量三角不等… 构造复数 复数的模 · 复数三角不等… 构造随机变量(分… 离散型随机变量 · 数学期… 贯穿的数学思想 不等式思想 配方法 整体思想 齐次化思想 化归思想 构造思想 待定系数法 函数思想 方程思想 三角换元 数形结合 几何直观 坐标旋转变换 概率统计思想

解法① 判别式法 初中

核心工具:一元二次方程、判别式

设 t=x+2yt=x+2y(t>0t>0),则 x=t−2yx=t-2y。代入条件:

(t−2y)2+3(t−2y)y+4y2=7(t-2y)^2+3(t-2y)y+4y^2=7

整理成关于 yy 的一元二次方程:

2y2−ty+t2−7=02y^2-ty+t^2-7=0

正数 yy 必须存在,所以判别式非负:

Δ=t2−8(t2−7)=56−7t2≥0\Delta=t^2-8(t^2-7)=56-7t^2\geq 0

解得 t2≤8t^2\leq 8,即 t≤22t\leq 2\sqrt2。当 t=22t=2\sqrt2 时 y=22>0y=\dfrac{\sqrt2}{2}>0,正数解确实存在,最大值取到。

点睛:「yy 存在」本身就是约束:最值问题翻译成方程有解问题,判别式替你把关。这是初中生也能驾驭的利器。

体现思想:方程思想、函数思想

解法② 构造三角形+平面几何 初中

核心工具:等腰三角形、圆周角定理、直径所对圆周角

同法十一构造 △ABC\triangle ABC。延长 BABA 到 DD,使 AD=AC=2yAD=AC=2y,则 BD=x+2yBD=x+2y。△ACD\triangle ACD 为等腰三角形,由外角性质

∠BDC=∠D=12∠BAC\angle BDC=\angle D=\frac12\angle BAC

角 DD 为定角、对边 BC=7BC=\sqrt7 为定弦,故 DD 在一个定圆上运动。圆内过 BB 的弦以直径为最长,设直径端点为 D0D_0,则

x+2y=BD≤BD0=BCsin⁡∠D=7sin⁡A2x+2y=BD\leq BD_0=\frac{BC}{\sin\angle D}=\frac{\sqrt7}{\sin\frac A2}

由半角公式(高中将学;初中生也可在等腰三角形中用勾股定理算得同值)sin⁡A2=1−cos⁡A2=1+342=78\sin\dfrac A2=\sqrt{\dfrac{1-\cos A}{2}}=\sqrt{\dfrac{1+\frac34}{2}}=\sqrt{\dfrac78},得

x+2y≤77/8=22x+2y\leq\frac{\sqrt7}{\sqrt{7/8}}=2\sqrt2

等号当 △BCD0\triangle BCD_0 为直角三角形(BD0BD_0 为直径),即 x=2yx=2y。

点睛:补一个等腰三角形把目标式变成线段,再用「定弦定角→定圆→直径最长」——构造全程是初中几何,仅最后算角用到高中半角公式。

体现思想:数形结合、几何直观

解法③ 构造数据(方差非负) 初中

核心工具:平均数、方差

由 (x+3y2)2+7y24=7\left(x+\dfrac{3y}{2}\right)^2+\dfrac{7y^2}{4}=7,两边除以 77:

7(x+3y27)2+(y2)2=17\left(\frac{x+\frac{3y}{2}}{7}\right)^2+\left(\frac y2\right)^2=1

构造 8 个数据:7 个 x+3y27\dfrac{x+\frac{3y}{2}}{7} 和 1 个 y2\dfrac y2。它们的平均数为

tˉ=7⋅x+3y27+y28=x+2y8\bar t=\frac{7\cdot\frac{x+\frac{3y}{2}}{7}+\frac y2}{8}=\frac{x+2y}{8}

方差为

s2=18[7(x+3y27)2+(y2)2−8tˉ2]=18[1−8(x+2y8)2]≥0s^2=\frac18\left[7\left(\frac{x+\frac{3y}{2}}{7}\right)^2+\left(\frac y2\right)^2-8\bar t^2\right]=\frac18\left[1-8\left(\frac{x+2y}{8}\right)^2\right]\geq 0

故 (x+2y)2≤8(x+2y)^2\leq 8,x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2。等号当 8 个数据全相等:

x+3y27=y2  ⟹  2x+3y=7y  ⟹  x=2y\frac{x+\frac{3y}{2}}{7}=\frac y2\;\Longrightarrow\;2x+3y=7y\;\Longrightarrow\;x=2y

点睛:方差恒非负是初中统计里最被低估的不等式:凑出一组数据,平方和就自动大于等于平均数平方的倍数。

体现思想:概率统计思想、构造思想

解法④ 平方代换+基本不等式 高中

核心工具:基本不等式、完全平方公式

先把目标式平方,让它和条件「长得像」:

(x+2y)2=x2+4y2+4xy=7+xy(x+2y)^2=x^2+4y^2+4xy=7+xy

只需给 xyxy 找一个上界。由基本不等式 x2+(2y)2≥4xyx^2+(2y)^2\geq 4xy(即 (x−2y)2≥0(x-2y)^2\geq 0):

7=x2+4y2+3xy≥4xy+3xy=7xy7=x^2+4y^2+3xy\geq 4xy+3xy=7xy

故 xy≤1xy\leq 1,于是 (x+2y)2≤8(x+2y)^2\leq 8。因 x+2y>0x+2y>0,得

x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2

当且仅当 x=2yx=2y 时等号成立。

点睛:把目标平方后,问题立刻缩水成「给 xyxy 找个上界」——整体代换是最便宜的化简。

体现思想:不等式思想、配方法

解法⑤ 配凑基本不等式 高中

核心工具:基本不等式、整体放缩

令 t=x+2yt=x+2y。由 (x−2y)2≥0(x-2y)^2\geq 0 展开得 (x+2y)2≥8xy(x+2y)^2\geq 8xy,即

xy≤(x+2y)28=t28xy\leq \frac{(x+2y)^2}{8}=\frac{t^2}{8}

而 t2=(x+2y)2=7+xyt^2=(x+2y)^2=7+xy,所以

t2≤7+t28  ⟹  78t2≤7  ⟹  t≤22t^2\leq 7+\frac{t^2}{8}\;\Longrightarrow\;\frac78 t^2\leq 7\;\Longrightarrow\;t\leq 2\sqrt2

当且仅当 x=2yx=2y 时等号成立。

点睛:不拆散条件,直接把 xyxy 放缩成目标式自身的平方——放缩后解的是关于目标的方程。

体现思想:不等式思想、整体思想

解法⑥ 齐次化 高中

核心工具:齐次化、基本不等式

目标与条件都是二次式,令 t=x+2yt=x+2y,把 t2t^2 与常数 77 作比(齐次化):

t2=7⋅(x+2y)2x2+3xy+4y2=7(1+xyx2+3xy+4y2)=7(1+1xy+4yx+3)t^2=7\cdot\frac{(x+2y)^2}{x^2+3xy+4y^2}=7\left(1+\frac{xy}{x^2+3xy+4y^2}\right)=7\left(1+\frac{1}{\frac{x}{y}+\frac{4y}{x}+3}\right)

由 xy+4yx≥24=4\dfrac{x}{y}+\dfrac{4y}{x}\geq 2\sqrt4=4,分母至少为 77,故

t2≤7(1+17)=8t^2\leq 7\left(1+\frac17\right)=8

所以 t≤22t\leq 2\sqrt2,当且仅当 xy=4yx\dfrac{x}{y}=\dfrac{4y}{x},即 x=2yx=2y 时取等。

点睛:常数是伪装的二次式:用条件把 77 换掉,全局只剩比值,最值交给「对勾」最小值。

体现思想:齐次化思想、化归思想

解法⑦ 柯西不等式 高中

核心工具:配方法、柯西不等式

先把条件配成两个平方之和:

7=(x+3y2)2+7y24=(x+3y2)2+(7y2)27=\left(x+\frac{3y}{2}\right)^2+\frac{7y^2}{4}=\left(x+\frac{3y}{2}\right)^2+\left(\frac{\sqrt7 y}{2}\right)^2

用柯西不等式 (a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2(a^2+b^2)(c^2+d^2)\geq(ac+bd)^2,取 (c,d)=(1,17)(c,d)=\left(1,\dfrac1{\sqrt7}\right):

7(1+17)≥[(x+3y2)+7y2⋅17]2=(x+2y)27\left(1+\frac17\right)\geq\left[\left(x+\frac{3y}{2}\right)+\frac{\sqrt7 y}{2}\cdot\frac1{\sqrt7}\right]^2=(x+2y)^2

即 (x+2y)2≤8(x+2y)^2\leq 8,x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2。等号当两组成比例:

x+3y21=7y217=7y2  ⟹  x=2y\frac{x+\frac{3y}{2}}{1}=\frac{\frac{\sqrt7 y}{2}}{\frac1{\sqrt7}}=\frac{7y}{2}\;\Longrightarrow\;x=2y

点睛:配方是为了认出柯西的「两条括号」;第二个括号里的 17\frac1{\sqrt7} 是照着目标 x+2yx+2y 的系数反推的。

体现思想:不等式思想、构造思想

解法⑧ 权方和不等式 高中

核心工具:配方法、权方和不等式

配方后把 77 写成分次幂相除的形式:

7=(x+3y2)21+(y2)2177=\frac{\left(x+\frac{3y}{2}\right)^2}{1}+\frac{\left(\frac y2\right)^2}{\frac17}

用权方和不等式(柯西的 Engel 形态)a2p+b2q≥(a+b)2p+q\dfrac{a^2}{p}+\dfrac{b^2}{q}\geq\dfrac{(a+b)^2}{p+q}:

7≥(x+3y2+y2)21+17=(x+2y)2877\geq\frac{\left(x+\frac{3y}{2}+\frac y2\right)^2}{1+\frac17}=\frac{(x+2y)^2}{\frac87}

故 (x+2y)2≤8(x+2y)^2\leq 8,x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2。等号当 x+3y21=y217\dfrac{x+\frac{3y}{2}}{1}=\dfrac{\frac y2}{\frac17},即 x+3y2=7y2x+ \frac{3y}{2}=\frac{7y}{2},x=2yx=2y。

点睛:柯西两边一移项就是权方和,分母相加恰好凑成 87\frac87——与法四是同一张牌的两种握法。

体现思想:不等式思想、构造思想

解法⑨ 待定系数 高中

核心工具:待定系数法、基本不等式

记 u=x+3y2u=x+\dfrac{3y}{2},则 u2+7y24=7u^2+\dfrac{7y^2}{4}=7。引入正数 m,nm,n,由 a2+b2≥2aba^2+b^2\geq 2ab:

u2+m2≥2mu,7y24+n2≥7nyu^2+m^2\geq 2mu,\qquad \frac{7y^2}{4}+n^2\geq \sqrt7 ny

两式相加:

7+m2+n2≥2m(x+3y2)+7ny=2mx+(3m+7n)y7+m^2+n^2\geq 2m\left(x+\frac{3y}{2}\right)+\sqrt7 ny=2mx+(3m+\sqrt7 n)y

希望右端恰为 2m(x+2y)2m(x+2y),令 3m+7n=4m3m+\sqrt7 n=4m,得 m=7nm=\sqrt7 n。再让两个等号同时成立可得最紧的配比,解得

n2=78,m2=498n^2=\frac78,\qquad m^2=\frac{49}{8}

代回:

7+498+78=14≥2m(x+2y)=72(x+2y)7+\frac{49}{8}+\frac78=14\geq 2m(x+2y)=\frac{7}{\sqrt2}(x+2y)

故 x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2,等号当 u=mu=m、7y2=n\dfrac{\sqrt7 y}{2}=n 同时成立,即 x=2yx=2y。

点睛:系数 m,nm,n 先留白、再按「右端等于目标」反解——待定系数本质是让不等式替你量身定做。

体现思想:待定系数法、不等式思想

解法10 构造函数求导 高中

核心工具:一元二次方程求根、导数与单调性

把条件看成关于 xx 的二次方程:

x2+3yx+4y2−7=0  ⟹  x=−3y+28−7y22x^2+3yx+4y^2-7=0\;\Longrightarrow\;x=\frac{-3y+\sqrt{28-7y^2}}{2}

因 x>0x>0 只取正根。目标成为关于 yy 的一元函数:

g(y)=x+2y=12(28−7y2+y)g(y)=x+2y=\frac12\left(\sqrt{28-7y^2}+y\right)

求导:

g′(y)=12(1−7y28−7y2)=28−7y2−7y228−7y2g'(y)=\frac12\left(1-\frac{7y}{\sqrt{28-7y^2}}\right)=\frac{\sqrt{28-7y^2}-7y}{2\sqrt{28-7y^2}}

令 g′(y)=0g'(y)=0:28−7y2=49y228-7y^2=49y^2,得 y=22y=\dfrac{\sqrt2}{2},此时 x=2x=\sqrt2。yy 增大时分母为正、分子由正变负,故该点为最大值点:

g ⁣(22)=22g\!\left(\frac{\sqrt2}{2}\right)=2\sqrt2

点睛:消元消出一个单变量函数,导数替你在椭圆弧上扫描最高点——最朴素,也最不需要巧思。

体现思想:函数思想、化归思想

解法11 正向三角换元 高中

核心工具:配方法、辅助角公式

配方得 u2+v2=7u^2+v^2=7,其中 u=x+3y2u=x+\dfrac{3y}{2},v=7y2v=\dfrac{\sqrt7 y}{2}。令

u=7cos⁡θ,v=7sin⁡θu=\sqrt7\cos\theta,\qquad v=\sqrt7\sin\theta

注意 y=2v7y=\dfrac{2v}{\sqrt7},于是

x+2y=u+y2=7cos⁡θ+v7=7cos⁡θ+sin⁡θx+2y=u+\frac y2=\sqrt7\cos\theta+\frac{v}{\sqrt7}=\sqrt7\cos\theta+\sin\theta

辅助角合一:

7cos⁡θ+sin⁡θ=22sin⁡(θ+φ)≤22\sqrt7\cos\theta+\sin\theta=2\sqrt2\sin(\theta+\varphi)\leq 2\sqrt2

其中 tan⁡φ=7\tan\varphi=\sqrt7。振幅就是最大值,对应的 θ\theta 给出 x=2, y=22x=\sqrt2,\ y=\dfrac{\sqrt2}{2}。

点睛:「平方和等于常数」是圆的身份证,正余弦一进场,代数最值立刻变成三角函数的振幅。

体现思想:三角换元、数形结合

解法12 反向三角换元 高中

核心工具:三角恒等变换、二倍角公式

这次照着目标式设元:令 r=x+2yr=x+2y,取

x=rcos⁡2θ,2y=rsin⁡2θ(r>0)x=r\cos^2\theta,\qquad 2y=r\sin^2\theta\quad(r>0)

代入条件(注意 y=r2sin⁡2θy=\dfrac{r}{2}\sin^2\theta):

7r2=cos⁡4θ+32sin⁡2θcos⁡2θ+sin⁡4θ\frac7{r^2}=\cos^4\theta+\frac32\sin^2\theta\cos^2\theta+\sin^4\theta

利用 sin⁡2θ+cos⁡2θ=1\sin^2\theta+\cos^2\theta=1 合并:

7r2=(sin⁡2θ+cos⁡2θ)2−12sin⁡2θcos⁡2θ=1−18sin⁡22θ≥78\frac7{r^2}=(\sin^2\theta+\cos^2\theta)^2-\frac12\sin^2\theta\cos^2\theta=1-\frac18\sin^2 2\theta\geq\frac78

故 r2≤8r^2\leq 8,r≤22r\leq 2\sqrt2。等号当 sin⁡2θ=1\sin 2\theta=1,即 θ=π4\theta=\dfrac\pi4,此时 cos⁡2θ=sin⁡2θ\cos^2\theta=\sin^2\theta,x=2yx=2y。

点睛:正向换元把约束变圆,反向换元把目标变半径 rr——同一个 sin⁡2+cos⁡2=1\sin^2+\cos^2=1,进与退都能解题。

体现思想:三角换元、齐次化思想

解法13 构造三角形+正弦定理 高中

核心工具:余弦定理、正弦定理、辅助角公式

把条件改写成余弦定理的形状:

−34=x2+(2y)2−(7)22⋅x⋅2y-\frac34=\frac{x^2+(2y)^2-(\sqrt7)^2}{2\cdot x\cdot 2y}

构造 △ABC\triangle ABC,使 AB=xAB=x,AC=2yAC=2y,BC=7BC=\sqrt7,则

cos⁡A=−34,sin⁡A=74,2R=BCsin⁡A=77/4=4\cos A=-\frac34,\qquad \sin A=\frac{\sqrt7}{4},\qquad 2R=\frac{BC}{\sin A}=\frac{\sqrt7}{\sqrt7/4}=4

由正弦定理 AB=4sin⁡CAB=4\sin C,AC=4sin⁡BAC=4\sin B,而 B=π−A−CB=\pi-A-C,故

x+2y=4(sin⁡C+sin⁡B)=4sin⁡C+4sin⁡(C+A)=sin⁡C+7cos⁡C=22sin⁡(C+φ)≤22x+2y=4(\sin C+\sin B)=4\sin C+4\sin(C+A)=\sin C+\sqrt7\cos C=2\sqrt2\sin(C+\varphi)\leq 2\sqrt2

等号当 C+φ=π2C+\varphi=\dfrac\pi2,对应 AB=ACAB=AC,即 x=2yx=2y。

点睛:二次齐次式天然携带余弦定理的基因:给三条边赋上 xx、2y2y、7\sqrt7,代数题瞬间变成定弦三角形。

体现思想:数形结合、构造思想

解法14 构造三角形+面积上界 高中

核心工具:三角形面积公式、外接圆

同法十一构造 △ABC\triangle ABC 及其外接圆(半径 R=2R=2)。三角形面积为

S=12⋅x⋅2y⋅sin⁡A=xy⋅74S=\frac12\cdot x\cdot 2y\cdot\sin A=xy\cdot\frac{\sqrt7}{4}

底边 BC=7BC=\sqrt7 固定、外接圆固定,当顶点 AA 位于所对劣弧的中点时高最大。弦心距为

R2−(BC2)2=4−74=32\sqrt{R^2-\left(\frac{BC}{2}\right)^2}=\sqrt{4-\frac74}=\frac32

最大高为 R−32=12R-\dfrac32=\dfrac12,所以

S≤12⋅7⋅12=74  ⟹  xy≤1S\leq\frac12\cdot\sqrt7\cdot\frac12=\frac{\sqrt7}{4}\;\Longrightarrow\;xy\leq 1

于是 (x+2y)2=7+xy≤8(x+2y)^2=7+xy\leq 8,x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2。等号当 AB=ACAB=AC,即 x=2yx=2y。

点睛:同底、同外接圆的三角形中,等腰的那个面积最大——一个几何极值顺手解决了代数放缩。

体现思想:数形结合、几何直观

解法15 椭圆参数方程 高中

核心工具:椭圆的标准方程、参数方程、辅助角公式

配方后令 n=x+3y2n=x+\dfrac{3y}{2},m=ym=y,条件化为标准椭圆:

n27+m24=1\frac{n^2}{7}+\frac{m^2}{4}=1

写椭圆的参数方程:

n=7cos⁡θ,m=2sin⁡θ,θ∈(0,π2)n=\sqrt7\cos\theta,\qquad m=2\sin\theta,\qquad \theta\in\left(0,\frac\pi2\right)

目标恰好是 n+m2n+\dfrac m2:

x+2y=n+m2=7cos⁡θ+sin⁡θ≤7+1=22x+2y=n+\frac m2=\sqrt7\cos\theta+\sin\theta\leq\sqrt{7+1}=2\sqrt2

等号当 sin⁡θ=18\sin\theta=\dfrac1{\sqrt8}、cos⁡θ=78\cos\theta=\sqrt{\dfrac78},代回得 x=2, y=22x=\sqrt2,\ y=\dfrac{\sqrt2}{2}。

点睛:斜椭圆经过一次平移配方就是正椭圆,参数方程一设,最值等于线性式的方向导数极值。

体现思想:数形结合、三角换元

解法16 椭圆切线(非线性规划) 高中

核心工具:直线与椭圆相切、判别式

在 (n,m)(n,m) 平面,约束是第一象限内的椭圆弧 n27+m24=1\dfrac{n^2}{7}+\dfrac{m^2}{4}=1,目标 z=n+m2z=n+\dfrac m2 表示一族平行直线。zz 最大时直线与椭圆恰好相切。把 m=2(z−n)m=2(z-n) 代入:

n27+(z−n)2=1  ⟹  8n2−14zn+7z2−7=0\frac{n^2}{7}+(z-n)^2=1\;\Longrightarrow\;8n^2-14zn+7z^2-7=0

相切时判别式为零:

Δ=196z2−32(7z2−7)=224−28z2=0\Delta=196z^2-32(7z^2-7)=224-28z^2=0

解得 z=±22z=\pm 2\sqrt2,取正得 z=22z=2\sqrt2。切点在第一象限,正数条件满足。

点睛:线性目标扫过凸椭圆,极值必在切点——高中版的「非线性规划」,判别式就是相切探测器。

体现思想:数形结合、方程思想

解法17 旋转坐标轴到椭圆主轴 高中

核心工具:坐标旋转、椭圆的几何性质

交叉项 xyxy 说明椭圆的轴是斜的。沿着目标方向建立新坐标:令

x=m+n,2y=m−nx=m+n,\qquad 2y=m-n

则 x+2y=2mx+2y=2m。代入条件:

7=(m+n)2+32(m+n)(m−n)+(m−n)2=72m2+12n27=(m+n)^2+\frac32(m+n)(m-n)+(m-n)^2=\frac72 m^2+\frac12 n^2

即标准位置的椭圆

m22+n214=1\frac{m^2}{2}+\frac{n^2}{14}=1

m2≤2m^2\leq 2,故 x+2y=2m≤22x+2y=2m\leq 2\sqrt2。等号当 n=0n=0、m=2m=\sqrt2,此时 x=2y=2x=2y=\sqrt2。

点睛:换轴一次,斜椭圆立刻「正」过来:交叉项消失的瞬间,最值变成半轴长,这就是二次型对角化的高中版。

体现思想:坐标旋转变换、化归思想

解法18 向量内积(柯西的向量形态) 高中

核心工具:平面向量数量积

构造两个向量:

m⃗=(x+3y2,7y2),n⃗=(1,17)\vec m=\left(x+\frac{3y}{2},\frac{\sqrt7 y}{2}\right),\qquad \vec n=\left(1,\frac1{\sqrt7}\right)

由约束知 ∣m⃗∣=7|\vec m|=\sqrt7,又 ∣n⃗∣=1+17=87|\vec n|=\sqrt{1+\dfrac17}=\sqrt{\dfrac87},而内积恰好是目标:

m⃗⋅n⃗=x+3y2+7y2⋅17=x+2y\vec m\cdot\vec n=x+\frac{3y}{2}+\frac{\sqrt7 y}{2}\cdot\frac1{\sqrt7}=x+2y

由 m⃗⋅n⃗≤∣m⃗∣∣n⃗∣\vec m\cdot\vec n\leq|\vec m||\vec n|:

x+2y≤7⋅87=22x+2y\leq\sqrt7\cdot\sqrt{\frac87}=2\sqrt2

等号当 m⃗,n⃗\vec m,\vec n 同向,对应分量成比例,即 x=2yx=2y。

点睛:柯西不等式脱了代数外衣就是「内积不超过模长乘积」:第二个向量的坐标是照着目标系数配的。

体现思想:构造思想、数形结合

解法19 向量模的三角不等式 高中

核心工具:平面向量、向量三角不等式

同法十七构造 m⃗,n⃗\vec m,\vec n,∣m⃗∣=7|\vec m|=\sqrt7,∣n⃗∣=87|\vec n|=\sqrt{\dfrac87}。由三角不等式 ∣m⃗+n⃗∣≤∣m⃗∣+∣n⃗∣|\vec m+\vec n|\leq|\vec m|+|\vec n|,两边平方。左边:

∣m⃗+n⃗∣2=(x+3y2+1)2+(7y2+17)2=577+2(x+2y)|\vec m+\vec n|^2=\left(x+\frac{3y}{2}+1\right)^2+\left(\frac{\sqrt7 y}{2}+\frac1{\sqrt7}\right)^2=\frac{57}{7}+2(x+2y)

右边:

(∣m⃗∣+∣n⃗∣)2=(7+87)2=577+42(|\vec m|+|\vec n|)^2=\left(\sqrt7+\sqrt{\frac87}\right)^2=\frac{57}{7}+4\sqrt2

比较两式得 2(x+2y)≤422(x+2y)\leq 4\sqrt2,即 x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2。等号当两向量同向,即 x=2yx=2y。

点睛:「两边之和大于第三边」也能出最值:把常数项编进第二个向量,模长之和里恰好藏着目标的系数。

体现思想:构造思想、几何直观

解法20 构造复数 高中

核心工具:复数的模、复数三角不等式

把向量换成复数:

z1=x+3y2+7y2i,z2=1+17iz_1=x+\frac{3y}{2}+\frac{\sqrt7 y}{2}\mathrm i,\qquad z_2=1+\frac1{\sqrt7}\mathrm i

则 ∣z1∣=7|z_1|=\sqrt7,∣z2∣=87|z_2|=\sqrt{\dfrac87}。由复数模的三角不等式 ∣z1+z2∣≤∣z1∣+∣z2∣|z_1+z_2|\leq|z_1|+|z_2|,

∣z1+z2∣2=577+2(x+2y)≤(7+87)2=577+42|z_1+z_2|^2=\frac{57}{7}+2(x+2y)\leq\left(\sqrt7+\sqrt{\frac87}\right)^2=\frac{57}{7}+4\sqrt2

故 x+2y≤22x+2y\leq 2\sqrt2。等号当 z1,z2z_1,z_2 辐角相同:

x+3y21=7y217=7y2  ⟹  x=2y\frac{x+\frac{3y}{2}}{1}=\frac{\frac{\sqrt7 y}{2}}{\frac1{\sqrt7}}=\frac{7y}{2}\;\Longrightarrow\;x=2y

点睛:复数就是多了个名字的二维向量,模的三角不等式与法十八互为镜像——代数、向量、复数在此合流。

体现思想:构造思想、数形结合

解法21 构造随机变量(分布列) 高中

核心工具:离散型随机变量、数学期望、方差

记 u=x+3y2u=x+\dfrac{3y}{2},v=7y2v=\dfrac{\sqrt7 y}{2},则 u2+v2=7u^2+v^2=7。构造随机变量 XX,使它以 78\dfrac78 的概率取 u87u\sqrt{\dfrac87}、以 18\dfrac18 的概率取 v8v\sqrt8:

P ⁣(X=u87)=78,P ⁣(X=v8)=18P\!\left(X=u\sqrt{\frac87}\right)=\frac78,\qquad P\!\left(X=v\sqrt8\right)=\frac18

计算二阶矩:

E(X2)=78⋅87u2+18⋅8v2=u2+v2=7E(X^2)=\frac78\cdot\frac87 u^2+\frac18\cdot 8v^2=u^2+v^2=7

计算期望(注意 18 v=78⋅y2\sqrt{\dfrac18}\,v=\sqrt{\dfrac78}\cdot\dfrac y2):

E(X)=78 u+18 v=78(x+3y2+y2)=78(x+2y)E(X)=\sqrt{\frac78}\,u+\sqrt{\frac18}\,v=\sqrt{\frac78}\left(x+\frac{3y}{2}+\frac y2\right)=\sqrt{\frac78}(x+2y)

由方差非负 D(X)=E(X2)−(EX)2≥0D(X)=E(X^2)-(EX)^2\geq 0:

7≥78(x+2y)2  ⟹  x+2y≤227\geq\frac78(x+2y)^2\;\Longrightarrow\;x+2y\leq 2\sqrt2

等号当 XX 的两个取值相等(方差为零),即 x=2yx=2y。

点睛:柯西的概率形态就是 E(X2)≥(EX)2E(X^2)\geq(EX)^2:把两个平方按 7:17:1 配成分布列,不等式自动浮现。

体现思想:概率统计思想、构造思想

思想方法总结

七种解法看似不同,背后是同一套思想在反复起作用:

思想 出现在哪些解法 起什么作用
不等式思想 平方代换+基本不等式、配凑基本不等式、柯西不等式、权方和不等式、待定系数 —
配方法 平方代换+基本不等式 —
整体思想 配凑基本不等式 —
齐次化思想 齐次化、反向三角换元 —
化归思想 齐次化、构造函数求导、旋转坐标轴到椭圆主轴 —
构造思想 柯西不等式、权方和不等式、构造三角形+正弦定理、向量内积(柯西的向量形态)、向量模的三角不等式、构造复数、构造随机变量(分布列)、构造数据(方差非负) —
待定系数法 待定系数 —
函数思想 构造函数求导、判别式法 —
方程思想 判别式法、椭圆切线(非线性规划) —
三角换元 正向三角换元、反向三角换元、椭圆参数方程 —
数形结合 正向三角换元、构造三角形+正弦定理、构造三角形+面积上界、构造三角形+平面几何、椭圆参数方程、椭圆切线(非线性规划)、向量内积(柯西的向量形态)、构造复数 —
几何直观 构造三角形+面积上界、构造三角形+平面几何、向量模的三角不等式 —
坐标旋转变换 旋转坐标轴到椭圆主轴 —
概率统计思想 构造随机变量(分布列)、构造数据(方差非负) —

生活应用

这类「条件最值」不是考试专属,生活中到处可见:

变式训练

  1. 已知正数 x,yx,y 满足 x2+3xy+4y2=7x^2+3xy+4y^2=7,求 xyxy 的最大值。 (提示:法一已经证明 xy≤1xy\leq 1,等号在 x=2yx=2y 时取到;答案 11)
  2. 已知正数 a,ba,b 满足 a2+ab+b2=3a^2+ab+b^2=3,求 a+ba+b 的最大值。 (提示:(a+b)2=3+ab(a+b)^2=3+ab,而 a2+b2≥2aba^2+b^2\geq 2ab 给出 ab≤1ab\leq 1;答案 22,当 a=b=1a=b=1)
  3. 已知实数 x,yx,y 满足 x2+3xy+4y2=7x^2+3xy+4y^2=7,求 x+2yx+2y 的取值范围。 (提示:去掉正数条件后判别式法直接给出双侧范围,两端都有实根;答案 [−22, 22][-2\sqrt2,\,2\sqrt2])

一道题为什么值得讲二十一种解法

这道题的条件只有一个二次等式,看上去平平无奇。但它的结构太「标准」了:配方后是圆、齐次化后是对勾函数、坐标旋转后是正椭圆、搬到平面上能对应一个定弦定角的三角形、写成矩阵就是柯西不等式,甚至能伪装成一组随机变量的方差。几乎整个中学代数与几何的工具箱,都能在它身上找到接口。

这正是「经典母题」的含义:不是因为难,而是因为连通度高。一个知识点学完后能不能活,往往取决于它有没有和别的知识点挂钩;把这二十一种解法走一遍,挂钩的过程就全部经历了一次。

六副眼镜看同一个椭圆

把二十一种解法按视角归类,会发现它们只是六副不同的眼镜:

  • 不等式眼镜(法一至法六):不关心动点轨迹,直接对代数式做放缩,核心是认出 这个配方;
  • 函数方程眼镜(法七、法八):消元或设目标为参数,把「存在」翻译成单调性或判别式;
  • 三角眼镜(法九、法十):利用 ,一次正向把约束变圆,一次反向把目标变半径;
  • 几何眼镜(法十一至法十三、法十七至法十九):余弦定理同构、外接圆极值、定弦定角、向量的内积与模长、复数的模,用的都是「形」;
  • 圆锥曲线眼镜(法十四至法十六):先认出椭圆,再用参数方程、切线或旋转坐标轴;
  • 概率统计眼镜(法二十、法二十一): 与方差非负,本质仍是平方结构,却换了一副最出人意料的面孔。

眼镜换来换去,看的始终是同一个旋转椭圆在方向 上的支撑值。

二十一条路为什么汇合于同一个点

值得注意的是,二十一种解法的等号条件全部汇于同一个点:,即 。这不是巧合。

几何上,最大值是椭圆的平行切线的切点,切点唯一;每种不等式取等,刻画的都是「目标方向与椭圆的法方向平行」这同一件事。代数上,所有配方都以 为中间变量,而取等条件统一化成 ,也就是 。殊途之所以同归,是因为路本来就通向同一个点。

做完一题后回头检查所有解法的等号条件是否一致,是验证自己没有算错的高效方法。

给不同学段的学习建议

  • 初中同学:重点掌握法八(判别式法)、法十三(平几外接圆)、法二十一(方差非负)。这三法分别用一元二次方程、圆与圆周角、统计三个初中模块的知识,说明高深题目未必需要高深工具。
  • 高中同学:法一与法二是必会的基本不等式操作;法四(柯西)与法十四(椭圆参数)是高考与强基的高频入口;法七(求导)是兜底的通用方法。学完向量与复数后再回头看法十七至法十九,会有「原来如此」的感觉。
  • 学有余力者:法十六的坐标旋转是大学二次型正交对角化的预演;法二十的分布列构造是柯西不等式的概率形态。记住这个「旋转 消交叉项」的动作,将来在线性代数里还会再见。

二十一种解法一览

序号解法学段核心工具
1平方代换+基本不等式高中基本不等式、完全平方公式
2配凑基本不等式高中基本不等式、整体放缩
3齐次化高中齐次化、基本不等式
4柯西不等式高中配方法、柯西不等式
5权方和不等式高中配方法、权方和不等式
6待定系数高中待定系数法、基本不等式
7构造函数求导高中一元二次方程求根、导数与单调性
8判别式法初中一元二次方程、判别式
9正向三角换元高中配方法、辅助角公式
10反向三角换元高中三角恒等变换、二倍角公式
11构造三角形+正弦定理高中余弦定理、正弦定理、辅助角公式
12构造三角形+面积上界高中三角形面积公式、外接圆
13构造三角形+平面几何初中等腰三角形、圆周角定理、直径所对圆周角
14椭圆参数方程高中椭圆的标准方程、参数方程、辅助角公式
15椭圆切线(非线性规划)高中直线与椭圆相切、判别式
16旋转坐标轴到椭圆主轴高中坐标旋转、椭圆的几何性质
17向量内积(柯西的向量形态)高中平面向量数量积
18向量模的三角不等式高中平面向量、向量三角不等式
19构造复数高中复数的模、复数三角不等式
20构造随机变量(分布列)高中离散型随机变量、数学期望、方差
21构造数据(方差非负)初中平均数、方差

正例与反例

✅ 正例

  • 取 x=2, y=22x=\sqrt2,\ y=\dfrac{\sqrt2}{2}:代入得 2+3+2=72+3+2=7,且 x+2y=22x+2y=2\sqrt2,最大值确实取到

❌ 反例

  • 取 x=2, y=12x=2,\ y=\dfrac12:x+2y=3>22x+2y=3>2\sqrt2 看着更大,但左边为 4+3+1=8≠74+3+1=8\neq7,根本不满足前提

高频误解与考试易错

  • 把 x2+3xy+4y2=7x^2+3xy+4y^2=7 当成圆:含交叉项 xyxy,它在 (x,y)(x,y) 平面是一个旋转过的椭圆,只有转轴或配方后才露出圆的结构
  • 用 a2+b2≥2aba^2+b^2\geq 2ab 求出上界后不写等号条件,答案逻辑不完整——取不到的上界不是最大值
  • 判别式法只保证方程有实根,忽略题目要求 x,yx,y 均为正数:一般情形下还要回代检查根的符号
  • 反向三角换元展开 4y24y^2 时容易把 sin⁡4θ\sin^4\theta 误抄成 cos⁡4θ\cos^4\theta,后面的化简会全盘皆错
  • 向量与复数法中 ∣m⃗∣=7|\vec m|=\sqrt7(模长),不是 77(模长的平方),套三角不等式前要看清自己写的是模还是模的平方

常见问题

二十一种解法都要掌握吗?
不需要。初中生掌握判别式法、平几法和方差法三种即可;高中生至少掌握法一、法四、法七、法十四这一条主线,其余解法用来体会「同一个数学结构的不同马甲」。
为什么所有解法的等号条件都是 x=2yx=2y?
因为最大值是椭圆在某个方向上的支撑值,切点唯一;每种不等式取等都在刻画「目标方向与椭圆法线平行」这同一件事,等号点自然只有一个。
柯西不等式、权方和不等式、向量内积是不是重复的?
本质相同:权方和是柯西的分式(Engel)形态,向量内积是柯西的几何形态,复数模不等式是柯西的二维形态。学会辨认马甲,一个工具就顶四个。
方差不是统计概念吗,怎么能用来求代数最值?
方差的代数定义是「平方的平均减平均的平方」,它恒非负。只要把条件凑成一组数据的平方和,就免费得到一个不等式——这正是跨学科迁移的威力。

依据与出处

  • 人教 A 版高中数学必修第一册(2019 审定)第二章:一元二次函数、方程和不等式
  • 人教 A 版高中数学必修第二册(2019 审定):平面向量及其应用、复数、概率与统计
  • 本题为网络流传的经典多解题(二十一种解法合集),原始题源不可考