題目
Problem
Find the maximum value of
f(x)=2x−x+1−x−1,for x∈[1,∞).
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(5) 見解答.
解答
解法一:利用凹凸性與詹森不等式(優雅證明法)
思路
展開
- 本題要求連續函數 f(x)=2x−x+1−x−1 在定義域 [1,∞) 上的最大值。
- 我們對 f(x) 進行微分,求出一階導數 f′(x):
f′(x)=x1−2x+11−2x−11
為了判斷 f′(x) 的正負號,我們可以觀察其結構。它包含三個形如 t−1/2 的項。
- 我們令輔助函數為 h(t)=t−1/2=t1,定義在 t>0。
對 h(t) 進行兩次微分以判斷其凹凸性:
- h′(t)=−21t−3/2
- h′′(t)=43t−5/2>0
因為二階導數恆大於 0,所以 h(t) 在定義域上是**嚴格凹向上(或稱嚴格凸,Strictly Convex)**的函數。
- 根據詹森不等式 (Jensen’s Inequality),對於嚴格凸函數 h(t),在其定義域內的任意兩個不相等實數 a 與 b,均有:
2h(a)+h(b)>h(2a+b)
- 我們令 a=x+1,b=x−1。此時 2a+b=x。
代入詹森不等式,即可一秒判斷出 f′(x)<0 恆成立。
- 這說明 f(x) 在整個定義域上是嚴格單調遞減的。因此,最大值必然發生在定義域的左側邊界起點 x=1 處。
答題過程
展開
首先,對函數 f(x)=2x−x+1−x−1 在區間 (1,∞) 上進行微分:
f′(x)=x1−2x+11−2x−11— (1)
我們引入輔助函數為:
h(t)=t1=t−21,t>0
對 h(t) 求一階與二階導數:
h′(t)=h′′(t)=−21t−2343t−25
當 t>0 時,二階偏導 h′′(t)>0 恆成立。因此,函數 h(t)=t1 為一個**嚴格凹向上(Strictly Convex)**的函數。
根據詹森不等式,對於任意不相等的正實數 a 與 b,凸函數滿足:
2h(a)+h(b)>h(2a+b)
當 x>1 時,我們令:
a=x+1,b=x−1
此時 a=b,且其算術平均數為:
2a+b=2(x+1)+(x−1)=x
將這三項代入詹森不等式中:
2x+11+x−11>x1−2x+11−2x−11<x10
對照式 (1) 的導數定義,這說明:
f′(x)<0對於所有 x∈(1,∞) 恆成立
因為一階導數在區間內恆為負,函數 f(x) 在定義域 [1,∞) 上為嚴格單調遞減。
故函數的最大值必然發生在區間的起點 x=1:
f(1)===21−1+1−1−12−2−02−2
結論:
函數的最大值為 2−2。
解法二:利用導數代數變換(常規計算法)
思路
展開
- 如果在考場上沒有聯想到詹森不等式,我們也可以直接對一階導函數 f′(x) 進行通分與代數比較。
- 一階導數為:
f′(x)=x1−2x2−1x−1+x+1
- 我們要判斷 f′(x)<0 是否恆成立,等價於比較:
x1<?2x2−1x−1+x+1⟺2x2−1<?x(x−1+x+1)
- 由於兩邊在 x>1 時皆為正數,我們可以將不等式兩邊同時進行兩次平方,消去根式後化簡比較。
- 通過嚴密的代數化簡,最終能證明 f′(x)<0 恆成立,進而得出最大值同樣發生在邊界點 x=1。
答題過程
展開
我們對一階導函數進行通分整理:
f′(x)=x1−2x+11−2x−11=2x(x2−1)2x2−1−x(x−1+x+1)
要判定 f′(x)<0 恆成立,只需證明分子在 x>1 時恆小於 0:
2x2−1<x(x−1+x+1)— (2)
由於不等式兩邊均為正數,我們將兩邊同時平方:
左式2=右式2===4(x2−1)=4x2−4x((x−1)+(x+1)+2(x−1)(x+1))x(2x+2x2−1)2x2+2xx2−1
因此,不等式 (2) 成立等價於:
4x2−4<2x2−4<x2−2<2x2+2xx2−12xx2−1xx2−1— (3)
現在,我們對式 (3) 進行討論:
- 當 1<x<2 時:
左邊 x2−2<0,而右邊 xx2−1>0。負數必然小於正數,因此式 (3) 顯然成立。
- 當 x≥2 時:
此時左邊與右邊皆為非負數,我們可以對兩邊再次平方:
(x2−2)2<x4−4x2+4<4<x2(x2−1)x4−x23x2
因為 x≥2⟹x2≥2,所以 3x2≥6>4。此不等式必然成立。
綜上所述,不等式 (2) 在所有 x>1 時恆成立。
這證明了 f′(x)<0 恆成立,函數 f(x) 在 [1,∞) 上為嚴格單調遞減。
因此,最大值發生在 x=1:
f(1)=21−2−0=2−2
結論:
函數的最大值為 2−2。