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2021年中国数学奥林匹克竞赛(CMO)第二题详解

引言

问题

求最大的实数,使得对于任意,都存在一个复数满足,并且是如下方程的根:

分析

本题涉及韦达定理以及均值不等式。其中,三次方程的韦达定理可以描述为:方程的三个复根满足下列三个式子

其中 在这个基础上,借用均值不等式即可逼出满足题意的的最大值。下面给出本题的解答。

解答

由于对称性,不妨设,否则可以对换,,而原方程保持不变。我们考察方程

的复根。

首先,我们断言上述方程必然有虚根,假设不然,则我们设它的三个实根为,其中由韦达定理知:

而由均值不等式,

从而,即,这与相矛盾,从而上述方程必然有虚根。设其三个根为,其中我们记,则由韦达定理知:

假设,则由上面三个式子可知,而由均值不等式,,,可得

即,矛盾。从而,即,这意味着上述方程必然有一个根满足,进而是满足题意的一个值,由的最大性可知

另一方面,令,此时观察这几个根可知,综上,

点评

本题的一个关键在于观察到对换,不会改变题目中的方程,从而不妨添加一个条件,而这个条件也是为了配合均值不等式的使用。本题难度偏大,需要一些观察和一些运气,耗费的时间较长。

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