已知7x^2y^2+y^4=1,求2x^2+y^2的最小值。
主要内容:
介绍用二次方程判别式法、不等式公式法、三角换元法和多元函数极值法等方法,介绍代数式2x^2+y^2在已知7x^2y^2+y^4=1条件下的最小值主要思路和步骤。
方法一:判别式法
将题目结论通过条件变形得到能使用二次方程判别式形式,进而求解所求代数式的最小值。
设2x^2+y^2=t,则x^2=(t-y^2)/2,代入已知条件得:
7*(t-y^2)/2*y^2+y^4=1,化简得到:
5y^4-7ty^2+2=0,看成的二次方程,由判别式得:
(7t)^2-4*2*5≥0,
7t≥2√2*5,
t≥(2√2*5)/7,则本题所求的最小值为(2√2*5)/7。
方法二:基本不等式法
通过变形利用两个正数的基本不等式求解最小值。此时用到的基本不等式为:对于正数a,b,有a+b≥2√ab.
∵7x^2y^2+y^4=1,
∴(7x^2+y^2)y^2=1,即7x^2+y^2=1/y^2,进一步得:
x^2=(1/7)(1/y^2-y^2),代入所求代数式得:
2x^2+y^2=(2/7)(1/y^2-y^2)+y^2,
=(1/7)*(2/y^2+5y^2), 再利用基本不等式,得:
≥(2/7)*√2*5=(2√10)/7,即等号值为所求最小值。
方法三:均值不等式法
通过变形利用两个正数的均值不等式求解最小值。此时用到的基本不等式为:对于正数a,b,有ab≤[(a+b)/2]^2。实质上是基本不等式的逆应用。
∵7x^2y^2+y^4=1,
∴(7x^2+y^2)y^2=1,对括号内x^2的系数进一步变形得:
(7/2)*(2x^2+2y^2/7)y^2=1,两边同时乘以5/7得:
(7/2)*(2x^2+ 2y^2/7)*5y^2/7=1*5/7,即:
(2x^2+ 2y^2/7)*5y^2/7=(2/7)*(5/7),
利用均值不等式得:
(2x^2+2y^2/7)*5y^2/7≤
[(2x^2+2y^2/7+5y^2/7)/2]^2=[(2x^2+y^2)/2]^2,
即:
(2/7)*(5/7)≤[(2x^2+y^2)/2]^2,变形不等式得:
(2x^2+y^2)^2≥4*(2/7)*(5/7),则:
2x^2+y^2≥2√[(2/7)*(5/7)]=(2√10)/7,即等号值为所求最小值。
方法四:三角换元法
利用正弦、余弦换元x,y,根据三角函数的有界性及不等式公式等求代数式的最小值。
设7x^2y^2=sin^2t,y^4=cos^2t,且t∈(0, π/2]。
则y^2=cost,代入正弦函数条件中得:
7x^2cost =sin^2t,即:
x^2=(√1/7)*(sint)^2/cost,将x,y代入到所求的代数式得:
2x^2+y^2
=2*(√1/7)*(sint)^2/cost+cost
=2*(√1/7)*[1-(cost)^2]/cost+cost
=(√1/7)*(2/cost+5cost),再利用基本不等式得:
≥(√1/7)*2√(2/cost*5cost),
=(2/7)*2√(2*5)=(2√10)/7,取等号值为所求最小值。
方法五:导数法
设所求最小值为t(t为常数),则2x^2+y^2=t,可求出函数y对x的导数,此时的导数并与已知条件中y对x的导数相等,即可求得最小值。
由2x^2+y^2=t,两边对x求导得:
4x+2y*dy/dx=0,即:dy/dx=-2x/1y;
对已知条件方程两边同时求x导数得:
14xy^2+7x^2*2y*dy/dx +4y^3*dy/dx=0,
此时dy/dx=-7xy^2/(2y^3+7x^2y),两处导数相等得:
-7xy^2/(2y^3+7x^2y)=-2x/y,化简该方程得:
x^2=3y^2/14……(1);
将方程(1)代入已知条件得:
7*3y^2/14+y^4=1,
即y^4=2/5,进一步得y^2=2√(2/5) ……(2).
由(1)(2)代入所有代数式,得:
2x^2+y^2的最小值
=23*√(2/5)/14+√(2/5)
=2*(5/7)√(2/5)
=(2√10)/7。
方法六:多元函数极值法
设F(x,y)= 2x^2+y^2-λ(7 x^2y^2+y^4-1),分别求F对x,y,λ的偏导数。
∂F/∂x=4x-14λxy^2;
∂F/∂y =2y-14λyx^2-4λy^3;
∂F/∂λ=7x^2y^2+y^4-1.
令∂F/∂x=∂F/∂y=∂F/∂λ=0,则:
2x=7λxy^2;
y=λ(7yx^2-2y^3);
两方程相除得:
2x/y=7xy^2/(2y^3+7),
后续步骤同方法五的部分步骤,即可得所求代数式的最小值为(2√10)/7。