问题 填空题

设A>0,AC-B2>0,则在条件x2+y2=1下,函数z=Ax2+2Bxy+Cy2的最大值与最小值之和为______.

答案

参考答案:A+C

解析:本题考查多元函数的条件最值问题,是一道计算量较大的综合题.如果考生基础雄厚,还可以用线性代数中二次型的相关理论解决本题,见题后点评.
设辅助函数F(x,y,λ)=Ax2+2Bxy+Cy2+λ(x2+y2-1),则[*]今[*]则
[*]
对于该方程组,(1)·x+(2)·y得到Ax2+2Bxy+Cy2+λ=0,即z+λ=0,只要求出λ,即可得到z的最值.
又(1)、(2)式可化为[*]是关于x,y的线性齐次方程组,由于x2+y2=1,该齐次方程组有非零解,则[*],λ2+(A+C)λ+AC-B2=0,两根之和λ12=-(A+C),即最大值与最小值之和为A+C.
[点评] 事实上,本题还有一个巧妙的解法,关键看考生能否想到线性代数中的一个重要结论:n元实二次型f=xTAx在||x||=1时的最大值等于矩阵A的最大特征值,最小值等于矩阵A的最小特征值.
下面做详细分析.第一步,设f(x1,x2,…,xn)=xTAx是n元实二次型,λ1,λ2,…,λn是A的特征值,且λ1≤λ2≤…≤λn,我们可以证明:对于任一实n维列向量x,有λ1xTx≤xTAx≤λnxTx.
事实上,对于实二次型f=xTAx,一定存在正交变换x=Qy.使得
[*]
由于λ1,λn分别是A的最小和最大特征值,故有
[*]

λ1yTy≤xTAx≤λnyTy.
又因为Q为正交矩阵,于是有
xTx=(Qy)T(Qy)=yTQTQy=yTy.

λ1xTx≤xTAx≤λnxTx,
进一步变形可以得到[*],而[*],其中[*]是单位向量.
通过以上分析,显然可以得到结论:n元实二次型f=xTAx在||x||=1时的最大值等于矩阵A的最大特征值,最小值等于矩阵A的最小特征值.
对于本题,Ax2+2Bxy+Cy2是二次型,在x2+y2=1的条件下,它的两个特征值就是该二次型的最大值与最小值,而其特征方程为[*],即λ2+(A+C)λ+AC-B2=0,于是λ12=-(A+C),即最大值与最小值之和为A+C.

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