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第 12 題(第七次合作杯數學有獎徵答所提供的參考解答的方法)
令 \(x+y=u, xy=v\),則
\(x^2+xy+y^2=3x+3y+9\Rightarrow \left(x+y\right)^2-xy=3\left(x+y\right)+9\)
\(\Rightarrow u^2-v=3u+9\Rightarrow v=u^2-3u-9\)
所求=\(x^2+y^2=\left(x+y\right)^2-2xy=u^2-2v=u^2-2\left(u^2-3u-9\right)\)
\(=-u^2+6u+18=-\left(u-3\right)^2+27\)
因為 \(x,y\) 為方程式 \(t^2-ut+v=0\) 的實根
所以判別式 \(D=u^2-4v\geq0\)
再將 \(v=u^2-3u-9\) 帶入上式,
可得 \(u^2-4\left(u^2-3u-9\right)\geq0\Rightarrow u^2-4u-12\leq0\)
\(\Rightarrow \left(u+2\right)\left(u-6\right)\leq0\Rightarrow -2\leq u\leq6\)
由 所求 \(x^2+y^2=-\left(u-3\right)^2+27\) 搭配 \(u\) 的範圍 \(-2\leq u\leq6\)
(畫出頂點在 \((3,27)\) 且開口向下拋物線的圖形)
可得當 \(u=3\) 的時候,\(x^2+y^2\) 有最大值為 \(27\);
當 \(u=-2\) 的時候,\(x^2+y^2\) 有最小值為 \(2\)。