求\(\frac{x+3y}{x^2+3y^2+4}\)的最大值。

求\(\frac{x+3y}{x^2+3y^2+4}\)的最大值。

用万能K值法时,可以对x、y分别配方后解关于K的值,以下结合求解\(\boldsymbol{\frac{x + 3y}{x^{2}+3y^{2}+4}}\)最大值的过程说明:

设\(\frac{x + 3y}{x^{2}+3y^{2}+4}=K\),变形为\(x + 3y = K(x^{2}+3y^{2}+4)\),进一步整理为\(Kx^{2}-x + 3Ky^{2}- 3y + 4K = 0\) 。

把\(Kx^{2}-x\)看成关于x的二次式,配方:\(Kx^{2}-x=K\left(x^{2}-\frac{1}{K}x\right)=K\left[\left(x – \frac{1}{2K}\right)^{2}-\frac{1}{4K^{2}}\right]=K\left(x – \frac{1}{2K}\right)^{2}-\frac{1}{4K}\)(\(K\neq0\),\(K = 0\)时原式值为0,不是最大值情况 )。

同理,对\(3Ky^{2}- 3y\)配方:\(3Ky^{2}- 3y=3K\left(y^{2}-\frac{1}{K}y\right)=3K\left[\left(y – \frac{1}{2K}\right)^{2}-\frac{1}{4K^{2}}\right]=3K\left(y – \frac{1}{2K}\right)^{2}-\frac{3}{4K}\) 。

将配方后的式子代回\(Kx^{2}-x + 3Ky^{2}- 3y + 4K = 0\),可得:\(K\left(x – \frac{1}{2K}\right)^{2}-\frac{1}{4K}+3K\left(y – \frac{1}{2K}\right)^{2}-\frac{3}{4K}+ 4K = 0\) 整理得:\(K\left(x – \frac{1}{2K}\right)^{2}+3K\left(y – \frac{1}{2K}\right)^{2}+\left(4K – \frac{1}{K}\right)= 0\) 。

因为平方项\(K\left(x – \frac{1}{2K}\right)^{2}\geqslant0\)、\(3K\left(y – \frac{1}{2K}\right)^{2}\geqslant0\)(要使式子有实数解,需\(K\gt0\),若\(K\lt0\),平方项非正,常数项也难满足等式 ),所以\(4K – \frac{1}{K}\leqslant0\) 。

由\(4K – \frac{1}{K}\leqslant0\)(\(K\gt0\) ),两边乘K得\(4K^{2}- 1\leqslant0\),即\(K^{2}\leqslant\frac{1}{4}\) ,结合\(K\gt0\),解得\(0\lt K\leqslant\frac{1}{2}\) 。

当且仅当\(x – \frac{1}{2K}=0\)且\(y – \frac{1}{2K}=0\)(平方项为0 ),即\(x = \frac{1}{2K}\),\(y = \frac{1}{2K}\)时取等号,代入验证可知\(K = \frac{1}{2}\)能满足条件,所以最大值为\(\frac{1}{2}\) 。

可见,用万能K值法时,对x、y分别配方后,能通过分析平方项非负性,构建关于K的不等式求解,是可行的思路,不过实际操作中,配方环节相对繁琐,常规利用一元二次方程判别式的方式(先消元,再用\(\Delta\geqslant0\) )往往更简洁直接 。

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