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,CA,B,C 为三角形的三个内角,则 3cosA+2cos2B+cos3C3\cos A+2\cos2B+\cos3C 的取值范围为 ________\_\_\_\_\_\_\_\_

答案:(2516,6)(-\dfrac{25}{16},6)

推理:

原式显然是 <6<6 的;由于 cos3C\cos3C 的系数小,其对最小值的贡献不大,可以猜测 C0C\to0,此时 A+BπA+B\to\pi,用 A=πBA=\pi-B 代换后求二次方程即可求得 cosA=38\cos A=-\dfrac{3}{8} 时取到最小值 2516-\dfrac{25}{16}

证明:

f(A,B,C)=3cosA+2cos2B+cos3Cf(A,B,C)=3\cos A+2\cos2B+\cos3C

Sup

因为 A(0,π)A\in(0,\pi),所以 cosA<1\cos A<13cosA+2cos2B+cos3C<3+2+1=63\cos A+2\cos2B+\cos3C<3+2+1=6

(A,B,C)(0,π,0)(A,B,C)\to(0,\pi,0) 时,f(A,B,C)6f(A,B,C)\to 6

Inf

不妨设 A=π2+x,B=π2y,C=yxA=\dfrac{\pi}{2}+x,B=\dfrac{\pi}{2}-y,C=y-xπ2<x<y<π2-\dfrac{\pi}{2}<x<y<\dfrac{\pi}{2}

f(x,y)=f(A,B,C)=3sinx2cos(2y)+cos(3y3x)f(x,y)=f(A,B,C)=-3\sin x-2\cos(2y)+\cos(3y-3x)

最小值点只会在 x=π2x=-\dfrac{\pi}{2}x=yx=yfx=0\dfrac{\partial f}{\partial x}=0 时取到。

x=π2\red{x=-\dfrac{\pi}{2}}

此时 f(x,y)=32cos(2y)+sin(3y)321=0f(x,y)=3-2\cos(2y)+\sin(3y)\ge3-2-1=0

x=y\red{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=38\sin y=-\dfrac{3}{8} 时取等。

也就是当 x,yarcsin38x,y\to\arcsin\dfrac{3}{8} 时,f(x,y)2516f(x,y)\to-\dfrac{25}{16}

fx=0\red{\dfrac{\partial f}{\partial x}=0}

$\dfrac{\partial f}{\partial x}=-3\cos x+3\sin(3y-3x)=0$。

cosx=sin(3y3x)\cos x=\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=3y2π4\blue{x=\dfrac {3y} {2}-\dfrac {\pi} {4}}

此时 π6<y<π2-\dfrac{\pi}{6}<y<\dfrac{\pi}{2}

y=2zπ6y=2z-\dfrac{\pi}{6},则 0<z<π30<z<\dfrac{\pi}{3}

$f(x,y)=-3\sin x-2\cos(2y)+\cos(3y-3x)=-2\sin(\dfrac{3y}{2}-\dfrac{\pi}{4})-2\cos(2y)=-2\sin(3z-\dfrac{\pi}{2})-2\cos(4z-\dfrac{\pi}{3})=2\cos(3z)-2\cos(4z-\dfrac{\pi}{3})=-4\sin(\dfrac{7z}{2}-\dfrac{\pi}{6})\sin(-\dfrac{z}{2}+\dfrac{\pi}{6})$。

z>π12z>\dfrac{\pi}{12} 时,$-4\sin(\dfrac{7z}{2}-\dfrac{\pi}{6})\sin(-\dfrac{z}{2}+\dfrac{\pi}{6})>-4\times1\times\sin\dfrac{\pi}{8}>-\dfrac{25}{16}$。

zπ12z\le\dfrac{\pi}{12} 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=3y4π8\blue{x=\dfrac {3y} {4}-\dfrac {\pi} {8}}

此时 π2<y<π2-\dfrac{\pi}{2}<y<\dfrac{\pi}{2}

y=4zπ2y=4z-\dfrac{\pi}{2},则 0<z<π40<z<\dfrac{\pi}{4}

$f(x,y)=-3\sin x-2\cos(2y)+\cos(3y-3x)=-4\sin(\dfrac {3y} {4}-\dfrac {\pi} {8})-2\cos(2y)=4\cos(3z)+2\cos(8z):=f(z)$。

$f(0)=6,f(\dfrac{\pi}{6})=-1,f(\dfrac{\pi}{4})=-2\sqrt{2}+2>-\dfrac{25}{16}$。

f(z)=4(3sin(3z)+4sin(8z))=0f'(z)=-4(3\sin(3z)+4\sin(8z))=0 时,设 3sin(3z)=4sin(8z)=t3\sin(3z)=-4sin(8z)=t

z>π6z>\dfrac{\pi}{6},则 f(z)f'(z) 有唯一解,应为极大值点,故 f(z)>min{f(π6),f(π4)}f(z)>\min\{f(\dfrac{\pi}{6}),f(\dfrac{\pi}{4})\}

zπ6z\le \dfrac{\pi}{6},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=3y45π8\blue{x=\dfrac {3y} {4}-\dfrac {5\pi} {8}}

此时 π6<y<π2\dfrac{\pi}{6}<y<\dfrac{\pi}{2}

y=4z+π6y=4z+\dfrac{\pi}{6},则 0<z<π120<z<\dfrac{\pi}{12}

$f(x,y)=-3\sin x-2\cos(2y)+\cos(3y-3x)=-4\sin(\dfrac {3y} {4}-\dfrac {5\pi} {8})-2\cos(2y)=4\cos(3z)-2\cos(8z+\dfrac{\pi}{3})\ge4\cos\dfrac{\pi}{4}-2>0>-\dfrac{25}{16}$。