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二元二次式:配方、非负性与最值
二元二次式的许多最值问题只需配方和一元二次函数。系数退化时可能出现整条直线上的最小值,不能一律假定只有一个最小值点。
二次齐次式的非负判据
设 。当 时,
因此 对所有实数 非负,当且仅当 。必要性中 来自分别令一变量为零;当 时,若 ,固定非零 后改变 可使表达式为负,所以必须 。
若要求除原点外恒正,则等价于 。当 时,零值点构成直线 ,不能称为只在原点取零。
含一次项时逐步配方
考虑 ,先设 。令
则
若 ,继续配方得最小值 ,唯一取到点为 、。
若 ,最小值为 ,在整条直线 上取到。若 ,或 ,令第一个平方项为零,再改变 ,就能使 任意小,因而无下界。
若 而 ,交换变量。若 ,原式含非零交叉项或非零一次项时无下界;所有这些系数都为零时为常函数。若 或 ,固定另一变量为零即可看出无下界。
完整配方算例
对于
配方得到
故最小值为 ,且只在 取到。两个平方项必须同时为零,不能只分别找到各自最小值而不检查是否能同时实现。
若题目增加约束,例如 必须为整数或属于某个区间,以上无约束取等点未必合法;应在约束下继续求最值。
约束中的平方和为零
若实数 满足 ,移项配方得
两项非负,所以 、。于是 为 或 。即使只求 ,也不应在中间漏去负号分支;由 ,两组都给出 。
平方和为零只对实平方直接成立。复数中 ,两项并不分别为零。
圆约束上的齐次二次式
在 上,设 ,则
因此最小、最大值分别为
这来自辅助角公式;当振幅为零时表达式为常数。圆半径为 时,齐次二次式的最值整体乘以 。
例如 时, 的范围为 。相应地,若 ,则 的范围为 ,两端分别由 与 取得。