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108 台灣大學微積分(C) 第 2 題

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108學年度 · 108台大微積分C · 第 2 題

題目

2. If x3+y3=3xyx^3+y^3=3xy, then x+y≤max⁡=?x+y\le \max=?

解答

解法一

思路

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令 s=x+ys=x+y、p=xyp=xy,把三次式改寫為 s,ps,p 的關係。再利用 x,yx,y 為實數時二次方程的判別式必須非負,便可限制 ss 的範圍。

答題過程

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由 x3+y3=(x+y)3−3xy(x+y)x^3+y^3=(x+y)^3-3xy(x+y),原式給出

s3−3ps=3p,p=s33(s+1).s^3-3ps=3p, \qquad p=\frac{s^3}{3(s+1)}.

而 x,yx,y 是方程 t2−st+p=0t^2-st+p=0 的兩個實根,所以

0≤ s2−4p= s2−4s33(s+1)=s2(3−s)3(s+1).\begin{align*} 0\le&\,s^2-4p\\[4mm] =&\,s^2-\frac{4s^3}{3(s+1)} =\frac{s^2(3-s)}{3(s+1)}. \end{align*}

若 s<0s<0,上式不可能非負;所以 s≥0s\ge0。此時分母為正,故必有 s≤3s\le3。

當 s=3s=3 時,取 x=y=32x=y=\frac32,確實滿足原式,因此上界可以達到。

所以 x+yx+y 的最大值為 3\boxed{3}。