2023 年全国高中数学联赛四川省预赛试题第八题
不知道放这道题的人咋想的
题目描述:设 A,B,C 为三角形的三个内角,则 3cosA+2cos2B+cos3C 的取值范围为 ________。
答案:(−1625,6)。
推理:
原式显然是 <6 的;由于 cos3C 的系数小,其对最小值的贡献不大,可以猜测 C→0,此时 A+B→π,用 A=π−B 代换后求二次方程即可求得 cosA=−83 时取到最小值 −1625。
证明:
设 f(A,B,C)=3cosA+2cos2B+cos3C。
Sup
因为 A∈(0,π),所以 cosA<1,3cosA+2cos2B+cos3C<3+2+1=6。
当 (A,B,C)→(0,π,0) 时,f(A,B,C)→6。
Inf
不妨设 A=2π+x,B=2π−y,C=y−x,−2π<x<y<2π。
则 f(x,y)=f(A,B,C)=−3sinx−2cos(2y)+cos(3y−3x)。
最小值点只会在 x=−2π 或 x=y 或 ∂x∂f=0 时取到。
x=−2π
此时 f(x,y)=3−2cos(2y)+sin(3y)≥3−2−1=0。
x=y
此时 $f(x,y)=-3\sin y-2\cos(2y)+1=4\sin^2y+3\sin y-1\ge-\dfrac{25}{16}$。在 siny=−83 时取等。
也就是当 x,y→arcsin83 时,f(x,y)→−1625。
∂x∂f=0
$\dfrac{\partial f}{\partial x}=-3\cos x+3\sin(3y-3x)=0$。
即 cosx=sin(3y−3x)。
解得 $x=\dfrac{3y}{2}-\dfrac{\pi}{4},\dfrac{3y}{4}-\dfrac{\pi}{8},\dfrac{3y}{4}-\dfrac{5\pi}{8}$。
x=23y−4π
此时 −6π<y<2π。
设 y=2z−6π,则 0<z<3π。
$f(x,y)=-3\sin x-2\cos(2y)+\cos(3y-3x)=-2\sin(\dfrac{3y}{2}-\dfrac{\pi}{4})-2\cos(2y)=-2\sin(3z-\dfrac{\pi}{2})-2\cos(4z-\dfrac{\pi}{3})=2\cos(3z)-2\cos(4z-\dfrac{\pi}{3})=-4\sin(\dfrac{7z}{2}-\dfrac{\pi}{6})\sin(-\dfrac{z}{2}+\dfrac{\pi}{6})$。
z>12π 时,$-4\sin(\dfrac{7z}{2}-\dfrac{\pi}{6})\sin(-\dfrac{z}{2}+\dfrac{\pi}{6})>-4\times1\times\sin\dfrac{\pi}{8}>-\dfrac{25}{16}$。
z≤12π 时,$-4\sin(\dfrac{7z}{2}-\dfrac{\pi}{6})\sin(-\dfrac{z}{2}+\dfrac{\pi}{6})\ge-4\times\sin\dfrac{\pi}{8}\times1>-\dfrac{25}{16}$。
x=43y−8π
此时 −2π<y<2π。
设 y=4z−2π,则 0<z<4π。
$f(x,y)=-3\sin x-2\cos(2y)+\cos(3y-3x)=-4\sin(\dfrac {3y} {4}-\dfrac {\pi} {8})-2\cos(2y)=4\cos(3z)+2\cos(8z):=f(z)$。
$f(0)=6,f(\dfrac{\pi}{6})=-1,f(\dfrac{\pi}{4})=-2\sqrt{2}+2>-\dfrac{25}{16}$。
f′(z)=−4(3sin(3z)+4sin(8z))=0 时,设 3sin(3z)=−4sin(8z)=t。
若 z>6π,则 f′(z) 有唯一解,应为极大值点,故 f(z)>min{f(6π),f(4π)}。
若 z≤6π,则 $g(t)=f(z)=\dfrac{4\sqrt{9-t^2}}{3}-\dfrac{\sqrt{16-t^2}}{2}>g(3)=-\dfrac{\sqrt{7}}{2}>-\dfrac{25}{16}$。
x=43y−85π
此时 6π<y<2π。
设 y=4z+6π,则 0<z<12π。
$f(x,y)=-3\sin x-2\cos(2y)+\cos(3y-3x)=-4\sin(\dfrac {3y} {4}-\dfrac {5\pi} {8})-2\cos(2y)=4\cos(3z)-2\cos(8z+\dfrac{\pi}{3})\ge4\cos\dfrac{\pi}{4}-2>0>-\dfrac{25}{16}$。