已知 $ - 6 \leqslant {x_i} \leqslant 10$($i = 1, 2, \cdots , 10$),$\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^{10} {{x_i}} = 50$,当 $\displaystyle \sum\limits_{i = 1}^{10} {x_i^2} $ 取得最大值时,在 ${x_1}, {x_2}, \cdots , {x_{10}}$ 这 $10$ 个数中等于 $-6$ 的数共有 \((\qquad)\)
A: $1$ 个
B: $2$ 个
C: $3$ 个
D: $4$ 个
【难度】
【出处】
2012年清华大学(高水平大学)自主选拔学业能力测试
【标注】
  • 题型
    >
    不等式
    >
    求代数式的最值与范围
  • 方法
    >
    论述方式
    >
    反证法
  • 知识点
    >
    代数变形
    >
    代数式的形
    >
    换元
【答案】
C
【解析】
令 $y_i=x_i+6,i=1,2,\cdots,10$,则$$0\leqslant y_i\leqslant 16,\sum\limits_{i=1}^{10}y_i=110.$$于是$$\sum_{i=1}^{10}x_i^2=\sum_{i=1}^{10}(y_i-6)^2=\sum_{i=1}^{10}y_i^2-12\sum_{i=1}^{10}y_i+360=\sum_{i=1}^{10}y_i^2-960.$$若 $\displaystyle \sum\limits_{i=1}^{10}x_i^2$ 取得最大值,则 $\displaystyle \sum\limits_{i=1}^{10}y_i^2$ 取得最大值,不妨设 $y_1\geqslant y_2\geqslant y_3\geqslant \cdots\geqslant y_{10}$,先用反证法证明 $y_{10}=0$:
否则 $y_{10}>0$,易知 $y_9<16$:
① 若 $y_9+y_{10}\leqslant 16$,则取 $z_i=y_i,i=1,2,\cdots,8$,$z_9=y_9+y_{10}$,$z_{10}=0$,则$$\sum\limits_{i=1}^{10}z_i^2-\sum\limits_{i=1}^{10}y_i^2=(y_9+y_{10})^2-y_9^2-y_{10}^2=2y_9y_{10}>0;$$② 若 $y_9+y_{10}>16$,则取 $z_i=y_i,i=1,2,\cdots,8$,$z_9=16$,$z_{10}=y_9+y_{10}-16$,则\[\begin{split} \sum\limits_{i=1}^{10}z_i^2-\sum\limits_{i=1}^{10}y_i^2=&16^2+(y_9+y_{10}-16)^2-y_9^2-y_{10}^2\\=&(16+y_9)(16-y_9)+(y_9+2y_{10}-16)(y_9-16)\\=&2(16-y_9)(16-y_{10})>0;\end{split}\]综合 ①② 可知,若 $\displaystyle \sum\limits_{i=1}^{10}y_i^2$ 取得最大值,则 $y_{10}=0$.
同理可推得 $y_9=0,y_8=0$,而若 $y_7=0$,则 $y_1+y_2+\cdots+y_6=110$,而 $y_1+y_2+\cdots+y_6\leqslant 16\times 6=96$,矛盾,所以 $y_7>0$.
令 $y_1=y_2=\cdots=y_6=16$,$y_7=14$,$y_8=y_9=y_{10}=0$,满足题意,所以C正确.
题目 答案 解析 备注
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