证明不等式acosθ+bsinθ≤(根号下ab)(a,b,θ∈R,ab≠0)的六种模型

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  摘 要:本文从不等式acosθ+bsinθ≤(a,b,θ∈R,ab≠0)(或其等价形式)的结构出发,联想代数或几何模型,得到了该不等式的六种证法.
  关键词:不等式;模型;证明
  “横看成岭侧成峰,远近高低各不同”,从不同的角度考察不等式的结构特征,可以联想不同的数学模型,从而实现“条条大路通罗马”的一题多证.本文以不等式acosθ+bsinθ≤(a,b,θ∈R,ab≠0)的证明为例,供参考.
  定理:acosθ+bsinθ≤(a,b,θ∈R,ab≠0).
  证法二(平方和模型):由(acosθ+bsinθ)2+(asinθ-bcosθ)2=a2+b2且(asinθ-bcosθ)2≥0,所以可得(acosθ+bsinθ)2≤a2+b2,即acosθ+bsinθ≤.
  证法三(柯西不等式模型):由柯西不等式(acosθ+bsinθ)2≤(a2+b2)(cos2θ+sin2θ),可得(acosθ+bsinθ)2≤a2+b2,从而两边开方可得acosθ+bsinθ≤.
  证法四(向量模型):设m=(a,b),n=(cosθ,sinθ),由m·n≤mn得acosθ+bsinθ≤.
  证法五(椭圆(或圆)模型):取x=acosθ,y=bsinθ,则要证明在约束条件+=1(ab≠0)下目标函数z=x+y的值域为[-,]. 而当且仅当直线y=-x+z与椭圆(或圆)+=1相切时纵截距z取得最值. 联立y=-x+z与+=1并消去y得关于x的一元二次方程(a2+b2)x2-2a2zx+a2(z2-b2)=0(ab≠0),由Δ=0得z2=a2+b2. 从而可知(x+y)2的最大值为a2+b2,即有acosθ+bsinθ≤.
  证法六(距离模型):由ab≠0可得a2+b2≠0,故可把d=看作单位圆x2+y2=1上一点(cosθ,sinθ)到过原点(同时为单位圆圆心)的直线ax+by=0的距离,易得d≤1,从而acosθ+bsinθ≤.
  评注:不等式acosθ+bsinθ≤(a,b,θ∈R,ab≠0)中等号成立的充要条件为:当asinθ=bcosθ>0时,acosθ+bsinθ=;当asinθ=bcosθ<0时,acosθ+bsinθ=-.
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