解決済み

2x+2y+z=2  2x+2y+z=2  の時、x2+2y2+z2 x^2+2y^2+z^2 の最小値は?という問題の具体的な解き方を教えてください

ベストアンサー

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文字を減らして平方完成する解法は最もシンプルで王道であり、応用も効くので理解しておくべきものです。そちらについてはほかの方によって回答されている通りですので、ここでは別の視点からの解法をご紹介します。


aundefined=(x,2y,z),bundefined=(2,2,1)\overrightarrow{a}=(x,\sqrt2y,z),\overrightarrow{b}=(2,\sqrt2,1) とおくと、


aundefined=x2+2y2+z2,bundefined=7|\overrightarrow{a}|=\sqrt{x^2+2y^2+z^2},|\overrightarrow{b}|=\sqrt7 であり、aundefinedbundefined=2x+2y+z=2\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b}=2x+2y+z=2

である。


このとき、

aundefinedbundefinedaundefinedbundefinedaundefinedbundefined    (aundefinedbundefined)2aundefined2bundefined2    47(x2+2y2+z2)    x2+2y2+z247\begin{aligned}&-|\overrightarrow{a}||\overrightarrow{b}| \leqq \overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b} \leqq |\overrightarrow{a}||\overrightarrow{b}| \\\iff &(\overrightarrow{a}\cdot\overrightarrow{b})^2 \leqq |\overrightarrow{a}|^2|\overrightarrow{b}|^2 \\\iff &4\leqq 7(x^2+2y^2+z^2) \\\iff &x^2+2y^2+z^2 \geqq \dfrac{4}{7}\end{aligned}

を得る。

等号成立には aundefined\overrightarrow{a}bundefined\overrightarrow{b} が平行であることが必要であり、つまり(x,2y,z)=k(2,2,1)(x,\sqrt2y,z)=k(2,\sqrt2,1) となる実数 kk が存在することが必要である。


以上より、2x+2y+z=22x+2y+z=2 かつ x2+2y2+z2=47x^2+2y^2+z^2=\dfrac{4}{7} となるのは k=27k=\dfrac{2}{7} のときであり、(x,y,z)=(47,27,27)(x,y,z)=\biggl(\dfrac{4}{7},\dfrac{2}{7},\dfrac{2}{7}\biggr) で最大値 47\dfrac{4}{7} が得られる。



和を内積、22 乗の和を絶対値と見ることがポイントです。

内積は 22 つのベクトルの絶対値の積より小さい、というのはコーシー・シュワルツの不等式と同値ですが、こちらも重要ですね。

補足

【誤】内積は 22 つのベクトルの絶対値の積より小さい

【正】内積は 22 つのベクトルの絶対値の積以下である

返信(2件)

こんな解法もあるんですね。

スゲェー

ベクトルの解法は予想外でした!

質問者からのお礼コメント

質問者からのお礼コメント

大変助かりました

そのほかの回答(2件)

z=22x2yz=2-2x-2y なので、

x2+2y2+z2=5x2+6y2+8xy8x8y+4x^2+2y^2+z^2=5x^2+6y^2+8xy-8x-8y+4

の最小値を求めます!(普通の二変数関数の問題ですね)

xx に注目して平方完成すると、

5(x+4y45)2+14y28y+455 \left( x+\frac{4y-4}{5} \right) ^2+\frac{14y^2-8y+4}{5}

さらに yy の方も平方完成して、

5(x+4y45)2+145(y27)2+475 \left( x+\frac{4y-4}{5} \right) ^2+\frac{14}{5} \left( y-\frac{2}{7} \right) ^2+\frac{4}{7}

よって、x=47 ,y=27,z=27x=\dfrac{4}{7}\ , y=\dfrac{2}{7} , z=\dfrac{2}{7} で最小値 47\dfrac{4}{7} を取ります!



蛇足ですが..

{fx(x,y)=10x+8y8=0fy(x,y)=12y+8x8=0\begin{cases}f_x(x,y)=10x+8y-8=0 \\ f_y(x,y)=12y+8x-8=0\end{cases}

を解いて x=47 ,y=27x=\dfrac{4}{7}\ , y=\dfrac{2}{7} とも求められます


fxx(x,y)=10,fyy(x,y)=12,fxy(x,y)=8,fyx(x,y)=8f_{xx}(x,y)=10 , f_{yy}(x,y)=12 ,f_{xy}(x,y)=8 , f_{yx}(x,y)=8 なので

108812=56>0\begin{vmatrix} 10 & 8 \\8 & 12\end{vmatrix}=56 >0

とヘッシアンを計算でき、fxx(x,y)=10f_{xx}(x,y)=10 と合わせればきちんと最小値を取ることがわかります;;

返信(1件)

ヘッシアン!?

この解放として挙げられるのが、まず変数を減らすことに焦点を当てて、22変数まで落とせたらどちらかの変数で平方完成をして、片方を定数とみることで最小値やが出す、というような方法です。実際に求めてみます。


最初に与えられた条件で変数を減らします。zzを消去するように考えます

z=2(x+y1) なので、z2=4(x+y1)2z=-2(x+y-1) なので、 z^2=4(x+y-1)^2

33変数関数に入れ込んで

6y2+8y(x1)+5x28x+46y^2+8y(x-1)+5x^2-8x+4

という22変数にできましたのでこれをyyについて平方完成させて

6{y+23(x1)}2+13(7x28x+4)6\left\{y+\frac{2}{3}(x-1)\right\}^2+\dfrac{1}{3}(7x^2-8x+4)

ここでわかるのが、y=23(x1)y=-\dfrac{2}{3}(x-1)のときに、全体の関数自体が最小値を取ることが分かります。したがって13(7x28x+4)\dfrac{1}{3}(7x^2-8x+4)の最小値を求めることになりますね

13(7x28x+4)=73(x47)2+47\dfrac{1}{3}(7x^2-8x+4)=\dfrac{7}{3}(x-\dfrac{4}{7})^2+\dfrac{4}{7}

故に、x=47x=\dfrac{4}{7}のとき最小値47\dfrac{4}{7}を取ることが示されました。残りのx,yx,yも出して、

(x,y,z)=(47,27,27)のとき、最小値47をとる。(x,y,z)=\left(\dfrac{4}{7},\dfrac{2}{7},\dfrac{2}{7}\right)のとき、最小値\dfrac{4}{7}をとる。


以上で求まります。 


返信(1件)

ほぉ〜

さすがです、、、

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