清华强基题:x²+y²+xy=1 求 x-y 最大值的七种解法
已知 ,求 的最大值。一道 2026 清华强基题,用初中到大学的七种解法讲透条件最值,串起一张知识网。
答案: 的最大值为 ,当 时取到。
适用前提与边界条件
- x 与 y 均为实数,全部结论只在实数范围内成立
- 本页解法覆盖初中到大学,读者可先选与自己学段匹配的解法,其余作为思想拓展
- 求「最大值」意味着必须验证等号能够取到,只求出上界不算完成
知识地图
一道题,7 条路。初中到大学的工具轮番上场,每一步都只是旧知识的新组合。
解法① 恒等变形 初中
核心工具:完全平方公式、平方的非负性
左边 与 、 都沾亲带故,试着用 与 整体表示:
因为任何数的平方都不是负数,,所以
即 。当 时等号成立,代回条件解得 或 。故 的最大值为 。
点睛:把条件整体配成「非负项 + 目标项」,一步放缩到位——这是出题人留给细心观察者的捷径。
体现思想:配方法、化归思想
解法② 和差换元 初中
核心工具:换元法、平方的非负性
设 ,,则 ,。代入条件:
即 。由 得 ,所以 。
当 时 ,对应 或 。故 的最大值为 。
点睛:换元消掉了最难缠的交叉项,条件立刻变成标准椭圆,目标量变成一个字母的事。
体现思想:换元思想、化归思想
解法③ 判别式法 初中
核心工具:一元二次方程、判别式
设 ,则 ,代入条件:
整理成关于 的一元二次方程:
是实数,所以这个方程必须有实数解,判别式不能为负:
解得 ,即 。当 时方程有解 ,从而 。故 的最大值为 。
点睛:「实数解存在」本身就是最强的约束——把最值问题翻译成方程有解问题,判别式替你把关。
体现思想:方程思想、函数思想
解法④ 三角换元 高中
核心工具:配方法、同角三角函数关系、辅助角公式
先把条件配方,分离出两个平方:
「两个平方之和等于 1」正是单位圆的信号,于是令
则 ,,所以
余弦函数的最大值是 ,故 的最大值为 (当 ,即 时取到)。
点睛:平方和为 1 就交给正弦余弦代管,代数最值瞬间变成振幅问题。
体现思想:三角换元、数形结合
解法⑤ 数形结合 高中
核心工具:椭圆的几何意义、直线与曲线相切、平面直角坐标系
方程 是一条二次曲线。由和差换元知它能化成 ,所以它是一个(旋转过的)椭圆。
设 ,这是一族斜率为 的平行直线, 是截距的变形。直线族扫过椭圆时, 的最值一定发生在直线与椭圆恰好相切的位置。
把 代入椭圆方程,得 。相切要求判别式为零:
解得 。故 的最大值为 ,切点正是 。
点睛:目标式是一族平行线,最值发生在相切的一瞬——几何直觉让答案一目了然。
体现思想:数形结合、化归思想
解法⑥ 拉格朗日乘数法 大学
核心工具:多元函数偏导数、拉格朗日乘数法
构造拉格朗日函数
对各变量求偏导并令其为零:
两式相加得 。若 则与第一式矛盾,所以 ,即 。
代入约束:,得驻点 与 ,对应目标值 与 。
约束曲线有界封闭,最值必在驻点处取到,故最大值为 。
点睛:「目标函数梯度与约束梯度平行」一句话统摄一切条件最值——通用,但计算量也最大。
体现思想:函数思想、化归思想
解法⑦ 正交对角化 大学
核心工具:二次型、特征值与特征向量、正交变换
把条件写成矩阵形式的二次型 ,其中
求特征值:,得 ,,对应单位特征向量 与 。
作正交变换 ,(相当于把坐标轴旋转 45°),条件化为
这是标准位置的椭圆, 的范围是 。而
当 (即 )时取等。故最大值为 。
点睛:特征值告诉你椭圆有多扁,最值就是最长方向的半径——代数与几何在这里合流。
体现思想:化归思想、数形结合
思想方法总结
七种解法看似不同,背后是同一套思想在反复起作用:
| 思想 | 出现在哪些解法 | 起什么作用 |
|---|---|---|
| 配方法 | 恒等变形 | — |
| 化归思想 | 恒等变形、和差换元、数形结合、拉格朗日乘数法、正交对角化 | — |
| 换元思想 | 和差换元 | — |
| 方程思想 | 判别式法 | — |
| 函数思想 | 判别式法、拉格朗日乘数法 | — |
| 三角换元 | 三角换元 | — |
| 数形结合 | 三角换元、数形结合、正交对角化 | — |
生活应用
这类「条件最值」不是考试专属,生活中到处可见:
变式训练
- 若实数 满足 ,求 的最大值。 (提示:把 换个号,七种解法几乎原样照搬;答案 )
- 若实数 满足 ,求 的取值范围。 (提示:恒等变形后右边由 变 ;答案 )
- 若正实数 满足 ,求 的最大值。 (提示:和差换元后注意正数条件,等号在 处取到;答案 )
一道题为什么值得讲七种解法
孩子学数学常见的困境是:知识点都会,题目一变就懵。根源在于知识是散装存储的——初中的完全平方公式与判别式、高中的三角换元、大学的二次型,在课本里相隔多年,看上去毫无关系。
这道题是一块难得的「连接器」:它在初中生眼里可以是一次恒等变形或判别式的应用,在高中生眼里是三角换元与椭圆切线,在大学生眼里是二次型的标准形。同一个真相,三个学段各看到一面。把七面拼起来,知识就不再是孤岛。
七种解法其实是一家人
细看会发现,七种解法共享三条暗线。第一条是配方法:解法一的恒等变形、解法四的配方、解法七的对角化,本质都是把二次式整理成「平方和」的模样。第二条是换元思想:和差换元、三角换元、正交变换,都是用新变量替换旧变量,让交叉项消失。第三条是化归思想:判别式法把最值化归为方程有解,数形结合把代数化归为几何相切,拉格朗日乘数法把条件最值化归为方程组。
所以真正要学的不是七个孤立技巧,而是这三种反复出场的数学思想。技巧会过时,思想会一直陪着你。
给不同学段的学习路径建议
初中同学只需看懂解法一,体会「平方不可能是负数」的威力,再重点掌握解法二、三,把换元与判别式练到顺手;高中生应主攻解法四、五,理解三角换元与相切的几何直观;大学阶段的两种解法则展示了知识的终点形态——原来中小学学的所有技巧,都是线性代数与微积分的特例。每升学一次,回来重读一遍,都会有新的收获。
七种解法一览
| 序号 | 解法 | 学段 | 核心工具 |
|---|---|---|---|
| 1 | 恒等变形 | 初中 | 完全平方公式、平方的非负性 |
| 2 | 和差换元 | 初中 | 换元法、平方的非负性 |
| 3 | 判别式法 | 初中 | 一元二次方程、判别式 |
| 4 | 三角换元 | 高中 | 配方法、同角三角函数关系、辅助角公式 |
| 5 | 数形结合 | 高中 | 椭圆的几何意义、直线与曲线相切、平面直角坐标系 |
| 6 | 拉格朗日乘数法 | 大学 | 多元函数偏导数、拉格朗日乘数法 |
| 7 | 正交对角化 | 大学 | 二次型、特征值与特征向量、正交变换 |
正例与反例
✅ 正例
- 取 :代入得 满足条件,且 ,说明最大值确实可以取到
❌ 反例
- 取 :看似 更大有希望,但代入条件左边得 ,根本不满足前提,无从谈起
高频误解与考试易错
- 把 当成圆:交叉项 说明它是一个旋转了 45° 的椭圆
- 用判别式法求出范围后忘记回代验证等号成立条件,导致答案不完整
- 三角换元后忽略 可以取遍全体实数,从而不敢断言余弦能取到
- 凭直觉认定 最大时必有 :本题成立只是多种解法汇合后的巧合,不能当通用结论
常见问题
七种解法都要掌握吗?
为什么最基础的解法反而最快?
判别式法求最值的原理是什么?
拉格朗日乘数法和初等解法矛盾吗?
依据与出处
- 2026 年清华大学强基计划数学试题(考生回忆版)
- 人教A版(2019 审定)选择性必修第一册第三章《圆锥曲线的方程》