南京大学 2023年强基第4题

强基计划真题

📝 题目

$\displaystyle \frac{\sin ^{4} \alpha}{\sin ^{2} \beta}+\frac{\cos ^{4} \alpha}{\cos ^{2} \beta}=1$ ,求 $\displaystyle \frac{\sin ^{4} \beta}{\sin ^{2} \alpha}+\frac{\cos ^{4} \beta}{\cos ^{2} \alpha}=$ ?

💡 答案解析

1 解:由柯西不等式可知 $\displaystyle \frac{\sin ^{4} \alpha}{\sin ^{2} \beta}+\frac{\cos ^{4} \alpha}{\cos ^{2} \beta}=1 \geqslant \frac{\left(\sin ^{2} \alpha+\cos ^{2} \alpha\right)^{2}}{\sin ^{2} \beta+\cos ^{2} \beta}=\frac{1}{1}=1$ 当 $\displaystyle \frac{\sin ^{2} \alpha}{|\sin \beta|}=\frac{\cos ^{2} \alpha}{|\cos \beta|}=\frac{\sqrt{2}}{2}$ 时,等号成立,此时 $\displaystyle \sin ^{2} \alpha=\frac{\sqrt{2}}{2}|\sin \beta|, \cos ^{2} \alpha=\frac{\sqrt{2}}{2}|\cos \beta|$ 则 $\displaystyle \frac{\sqrt{2}}{2}(|\sin \beta|+|\cos \beta|)=1 \Rightarrow|\sin \beta|+|\cos \beta|=\sqrt{2} \Rightarrow|\sin \beta \cos \beta|=\frac{1}{2}$ 于是 $\displaystyle \frac{\sin ^{4} \beta}{\sin ^{2} \alpha}+\frac{\cos ^{4} \beta}{\cos ^{2} \alpha}=\sqrt{2}\left(|\sin \beta|^{3}+|\cos \beta|^{3}\right)$ $=\sqrt{2}(|\sin \beta|+|\cos \beta|)\left(\sin ^{2} \beta+\cos ^{2} \beta-|\sin \beta \cos \beta|\right)$ $\displaystyle =\sqrt{2} \times \sqrt{2} \times\left(1-\frac{1}{2}\right)=1$.

📋 详细解题步骤

步骤 1/5
目标:应用柯西不等式得到条件等式
由柯西不等式,有 (sin⁴α/sin²β + cos⁴α/cos²β)(sin²β + cos²β) ≥ (sin²α + cos²α)² = 1,即左边 ≥ 1。已知左边=1,故等号成立。
公式:柯西不等式: (a₁²/b₁ + a₂²/b₂)(b₁+b₂) ≥ (a₁+a₂)²
提示:注意等号成立条件:a₁/b₁ = a₂/b₂
步骤 2/5
目标:推导等号成立条件
等号成立时,sin²α/|sinβ| = cos²α/|cosβ| = k。代入 sin²α+cos²α=1 得 k(|sinβ|+|cosβ|)=1。
公式:等号条件: sin²α/|sinβ| = cos²α/|cosβ|
提示:考虑绝对值,因为平方非负
步骤 3/5
目标:求解k和|sinβ|+|cosβ|
由 sin²α = k|sinβ|, cos²α = k|cosβ|,相加得 1 = k(|sinβ|+|cosβ|)。又由柯西不等式等号条件,可得 k = √2/2,从而 |sinβ|+|cosβ| = √2。
公式:1 = k(|sinβ|+|cosβ|)
提示:利用 sin²α+cos²α=1
步骤 4/5
目标:计算所求表达式
所求为 sin⁴β/sin²α + cos⁴β/cos²α。由 sin²α = (√2/2)|sinβ|, cos²α = (√2/2)|cosβ|,代入得 (sin⁴β)/((√2/2)|sinβ|) + (cos⁴β)/((√2/2)|cosβ|) = √2 (|sinβ|³ + |cosβ|³)。
公式:代入化简
提示:注意 sin⁴β = (sin²β)²,且 sin²β = |sinβ|²
步骤 5/5
目标:利用|sinβ|+|cosβ|=√2求值
设 a=|sinβ|, b=|cosβ|,则 a+b=√2,且 a²+b²=1。计算 a³+b³ = (a+b)(a²-ab+b²) = √2(1 - ab)。由 (a+b)² = a²+2ab+b² 得 2 = 1+2ab,故 ab=1/2。所以 a³+b³ = √2(1-1/2)=√2/2。所求 = √2 * (√2/2) = 1。
公式:立方和公式: a³+b³=(a+b)(a²-ab+b²)
提示:利用完全平方求ab

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