高中数学典型例题解析不等式5
高中数学典型例题分析 第五章 不等式
§5.1不等式的解法
一、知识导学1. 一元一次不等式ax>b
b ; a b
(2)当a <0时,解为x
a
(1)当a>0时,解为x >
(3)当a =0,b ≥0时无解;当a =0,b <0时,解为R .
2. 一元二次不等式:(如下表) 其中a >0,x 1,x 2是一元二次方程ax +bx+c=0的两实根,且
122
3. 简单的一元高次不等式:可用区间法(或称根轴法) 求解,其步骤是: ①将f(x)的最高次项的系数化为正数; ②将f(x)分解为若干个一次因式的积;
③将每一个一次因式的根标在数轴上,从右上方依次通过每一点画曲线; ④根据曲线显示出的f(x)值的符号变化规律,写出不等式的解集. 4. 分式不等式:先整理成
f (x ) f (x )
>0或≥0的形式,转化为整式不等式求解,即: g (x ) g (x )
f (x )
>0⇔f(x)·g(x)>0 g (x )
⎧f (x ) =0
或f (x ) ⋅g (x ) >0⎨f (x ) g (x ) ≠0 ≥0⇔⎩g (x )
然后用“根轴法”或化为不等式组求解.
二、疑难知识导析
1. 不等式解法的基本思路
解不等式的过程,实质上是同解不等式逐步代换化简原不等式的过程,因而保持同解变形就成为解不等式应遵循的主要原则,实际上高中阶段所解的不等式最后都要转化
为一元一次不等式或一元二次不等式,所以等价转化是解不等式的主要思路. 代数化、有理化、整式化、低次化是解初等不等式的基本思路. 为此,一要能熟练准确地解一元一次不等式和一元二次不等式,二要保证每步转化都要是等价变形.
2. 不等式组的解集是本组各不等式解集的交集,所以在解不等式组时,先要解出本组内各不等式的解集,然后取其交集,在取交集时,一定要利用数轴,将本组内各不等式的解集在同一数轴上表示出来,注意同一不等式解的示意线要一样高,不要将一个不等式解集的两个或几个区间误看成是两个或几个不等式的解集.
3. 集合的思想和方法在解不等式问题中有广泛的应用,其难点是区分何时取交集,何时取并集. 解不等式的另一个难点是含字母系数的不等式求解—注意分类. 三、经典例题导讲
2
[例1] 如果kx +2kx-(k+2)
⎧k
错解:由题意:⎨ 2
⎩(2k ) -4k ⋅[-(k +2)]
解得:-1
2
错因:将kx +2kx-(k+2)
⎧k
⎩(2k ) -4k ⋅[-(k +2)]
2
解得:-1
∴ -1
[例2] 命题A :x -1<3,命题B :(x +2)(x +a ) <0,若A 是B 的充分不必要条件,则a 的取值范围是_______
A. (4,+∞) B.[4, +∞) C.(-∞, -4) D.(-∞, -4] 错解:由|x -1|<3得:-2<x <4, 又由(x +2)(x+a)=0得x=-2或x =-a,
A 是B 的充分不必要条件,
∴{x|-2<x <4}⊂{x|-2<x <-a } ∴-故选D.
错因:忽略了a =-4时,{x|-2<x <4}={x|-2<x <-a },此时A 是B 的充要条件,不是充分不必要条件.
正解:由|x -1|<3得:-2<x <4, 又由(x +2)(x+a)=0得x=-2或x =-a,
A 是B 的充分不必要条件,
∴{x|-2<x <4}⊂{x|-2<x <-a } ∴-a>4故选C.
[例3]已知f(x) = a x + ,若-3≤f (1) ≤0, 3≤f (2) ≤6, 求f (3) 的范围.
x b
①⎧-3≤a +b ≤0
⎪
错解: 由条件得⎨ b
3≤2a +≤6⎪②2⎩
②×2-① 6≤a ≤15 ③ ①×2-②得 -
8b 2
≤≤- ④ 33310b 431043
, 即≤f (3) ≤. ③+④得 ≤3a +≤
33333
x
,其值是b
错因:采用这种解法,忽视了这样一个事实:作为满足条件的函数f (x ) =ax +
同时受a 和b 制约的. 当a 取最大(小)值时,b 不一定取最大(小)值,因而整个解题思路是错误的.
⎧f (1) =a +b ⎪
正解: 由题意有⎨b ,
f (2) =2a +⎪2⎩
12
[2f (2) -f (1)],b =[2f (1) -f (2)], 33b 1651637
∴f (3) =3a +=f (2) -f (1). 把f (1) 和f (2) 的范围代入得 ≤f (3) ≤.
39933
解得:a =
2
[例4] 解不等式(x+2)(x+3)(x-2) ≥0 2
错解: (x+2)≥0
∴原不等式可化为:(x+3)(x-2) ≥0
∴原不等式的解集为{x| x≤ -3或x ≥2}
错因:忽视了“≥”的含义,机械的将等式的运算性质套用到不等式运算中.
22
正解:原不等式可化为:(x+2)(x+3)(x-2) =0 ①或(x+2)(x+3)(x-2) >0②,
解①得:x=-3或x =-2或x =2 解②得:x < -3或x >2
∴原不等式的解集为{x| x≤ -3或x ≥2或x =-2}
[例5] 解关于x 的不等式a (x -ab ) >b (x +ab ) 解:将原不等式展开,整理得:(a -b ) x >ab (a +b )
讨论:当a >b 时,x >
ab (a +b )
a -b
当a =b 时,若a =b ≥0时x ∈φ;若a =b
ab (a +b )
a -b
点评:在解一次不等式时,要讨论一次项系数的符号.
2
[例6]关于x 的不等式ax +bx +c -
12
求关于x 的不等式ax -bx +c >0的解集. 解:由题设知 a
1
是方程ax 2+bx +c =0的两根 2
2
b 5c
=-, =1 a 2a
2
2
从而 ax -bx +c >0可以变形为x -
2
b c
x +
即:x -
51
x +1
点评:二次不等式的解集与二次方程的根之间的联系是解本题的关健,这也体现了方程思想在解题中的简单应用.
[例7](06年高考江苏卷)不等式log 2(x +
1
+6) ≤3的解集为x
1⎧x +≤2⎪1⎪x 1
解:∵log 2(x ++6) ≤3,∴0<x ++6≤8,∴ ⎨
x 1x ⎪x ++6>0
⎪x ⎩
⎧⎪x
∴⎨
⎪⎩-3-220
解得x ∈(-3--3+⋃{1}
反思:在数的比较大小过程中, 要遵循这样的规律, 异中求同即先将这些数的部分因式化成相同的部分, 再去比较它们剩余部分, 就会很轻易啦. 一般在数的比较大小中有如下几种方法:(1)作差比较法和作商比较法, 前者和零比较, 后者和1比较大小;(2)找中间量, 往往是1, 在这些数中, 有的比1大, 有的比1小;,(3)计算所有数的值;(4)选用数形结合的方法, 画出相应的图形;(5)利用函数的单调性等等. 四、典型习题导练
x 2-3x +2
x -2x -3
2. 解不等式 x +3x >2x +6
3. 解不等式 (x -4x -5)(x +x +2)
2
2
3
2
4. 解不等式 (x +2) 2(x -1) 3(x +1)(x -2)
16
2x 2+2kx +k
4x +6x +3
7. 解不等式3x -4-
x -3>0
8. 解不等式2x 2-6x +4
§5.2简单的线性规划
一、知识导学
1. 目标函数: P =2x+y是一个含有两个变 量 x 和y 的 函数,称为目标函数. 2. 可行域:约束条件所表示的平面区域称为可行域. 3. 整点:坐标为整数的点叫做整点.
4. 线性规划问题:求线性目标函数在线性约束条件下的最大值或最小值的问题,通常称为线性规划问题.只含有两个变量的简单线性规划问题可用图解法来解决.
5. 整数线性规划:要求量取整数的线性规划称为整数线性规划. 二、疑难知识导析
线性规划是一门研究如何使用最少的人力、物力和财力去最优地完成科学研究、工业设计、经济管理中实际问题的专门学科. 主要在以下两类问题中得到应用:一是在人力、物力、财务等资源一定的条件下,如何使用它们来完成最多的任务;二是给一项任务,如何合理安排和规划,能以最少的人力、物力、资金等资源来完成该项任务.
1. 对于不含边界的区域,要将边界画成虚线.
2. 确定二元一次不等式所表示的平面区域有多种方法,常用的一种方法是“选点法”:任选一个不在直线上的点,检验它的坐标是否满足所给的不等式,若适合,则该点所在的一侧即为不等式所表示的平面区域;否则,直线的另一侧为所求的平面区域.若 直 线 不 过 原点,通 常 选 择 原 点 代入检验.
3. 平 移 直 线 y=-k x +P时,直线必须经过可行域.
4. 对于有实际背景的线性规划问题,可行域通常是位于第一象限内的一个凸多边形区域,此时变动直线的最佳位置一般通过这个凸多边形的顶点.
5. 简单线性规划问题就是求线性目标函数在线性约束条件下的最优解,无论此类题目是以什么实际问题提出,其求解的格式与步骤是不变的:(1)寻找线性约束条件,线性目标函数;(2)由二元一次不等式表示的平面区域做出可行域;(3)在可行域内求目标函数的最优解.
三、经典例题导讲
⎧x +y -1>0⎪2x +3y -6≤0⎪
[例1] .画出不等式组⎨表示的平面区域.
⎪x -y -1≤0⎪⎩x -2y +2>0
⎧x +y -1>0⎪2x +3y -6≤0⎪
错解:如图(1)所示阴影部分即为不等式组⎨表示的平面区域.
x -y -1≤0⎪⎪⎩x -2y +2>0
错因一是实虚线不清,二是部分不等式所表示的平面区域弄错了.
⎧x +y -1>0⎪2x +3y -6≤0⎪
正解:如图(2)所示阴影部分即为不等式组⎨表示的平面区域.
⎪x -y -1≤0⎪⎩x -2y +2>0
[例2] 已知1≤x -y ≤2, 且2≤x+y≤4, 求4x -2y 的范围. 错解:由于 1≤x -y ≤2 ①,
2≤x+y≤4 ②,
①+② 得3≤2x ≤6 ③
①×(-1)+② 得:0≤2y ≤3 ④. ③×2+④×(-1) 得. 3≤4x -2y ≤12
错因:可行域范围扩大了. 正解:线性约束条件是:⎨令z =4x -2y ,
画出可行域如右图所示,
⎧1≤x -y ≤2
⎩2≤x +y ≤4
⎧x -y =1
得A 点坐标(1.5,0.5)此时z =4×1.5-2×0.5=5.
⎩x +y =2⎧x -y =2由⎨得B 点坐标(3,1)此时z =4×3-2×1=10.
x +y =4⎩
∴ 5≤4x -2y ≤10
由⎨
⎧7x -5y -23≤0⎪22
[例3] 已知⎨x +7y -11≤0, 求x +y的最值.
⎪4x +y +10≥0⎩⎧7x -5y -23≤0⎪
错解:不等式组⎨x +7y -11≤0表示的平面区域如右图
⎪4x +y +10≥0⎩
所示∆ABC 的内部(包括边界),
令z= x+y 由⎨
22
⎧7x -5y -23≤0
得A 点坐标(4,1),
⎩4x +y +10≥0
2
2
2
2
此时z =x +y=4+1=17, 由⎨
⎧7x -5y -23≤0
得B 点坐标(-1,-6),
⎩4x +y +10≥0
2
2
2
2
此时z =x +y=(-1)+(-6) =37,
⎧x +7y -11≤0由⎨得C 点坐标(-3,2),
4x +y +10≥0⎩
此时z =x +y=(-3)+2=13,
2
2
2
2
⎧x =-3⎧x =-12222
时x +y取得最大值37,当⎨时x +y取得最小值13. ∴ 当⎨
⎩y =2⎩y =-6
错因:误将求可行域内的点到原点的距离的平方的最值误认为是求三点A 、B 、C 到原点的距
离的平方的最值.
⎧7x -5y -23≤0⎪
正解:不等式组⎨x +7y -11≤0表示的平面区域如图所示∆ABC 的内部(包括边界),
⎪4x +y +10≥0⎩
令z= x+y, 则z 即为点(x ,y )到原点的距离的平方.
2
2
⎧7x -5y -23≤0由⎨得A 点坐标(4,1),
4x +y +10≥0⎩
此时z =x +y=4+1=17, 由⎨
2
2
2
2
⎧7x -5y -23≤0
得B 点坐标(-1,-6),
⎩4x +y +10≥0
2
2
2
2
此时z =x +y=(-1)+(-6) =37, 由⎨
⎧x +7y -11≤0
得C 点坐标(-3,2),
4x +y +10≥0⎩
2
2
2
2
此时z =x +y=(-3)+2=13, 而在原点处,⎨
⎧x =02222
,此时z =x +y=0+0=0,
⎩y =0
⎧x =-1⎧x =02222
时x +y取得最大值37,当⎨时x +y取得最小值0. ∴ 当⎨
⎩y =-6⎩y =0
[例4]某家具厂有方木料90m ,五合板600m ,准备加工成书桌和书橱出售. 已知生产每张
3232
书桌需要方木料0.1m ,五合板2m ,生产每个书橱需要方木料0.2m ,五合板1m ,出售一张书桌可获利润80元,出售一个书橱可获利润120元. 如果只安排生产书桌,可获利润多少?如果只安排生产书橱,可获利润多少?怎样安排生产可使得利润最大? 分析: 数据分析列表
3
2
⎧0. 1x +0. 2y ≤90
⎪2x +y ≤600⎪
设生产书桌x 张,书橱y 张,利润z 元,则约束条件为⎨
x ∈N ⎪⎪y ∈N ⎩
目标函数z=80x+120y
作出上可行域:
作出一组平行直线2x+3y=t, 此直线经过点A (100,400)时,即合理安排生产,生产书桌100张,书橱400张,有最
大利润为
z max =80×100+400×120=56000(元)
若只生产书桌,得0
润为
z=80×300=24000(元)
若只生产书橱,得0
z=120×450=54000(元) 答:略
[例5]某钢材厂要将两种大小不同的钢板截成A 、B 、C 三种规格,每张钢板可同时截得三种规格小钢板的块数如下表:
2
,今需要A 、B 、C 三种规格的成品各12、15、27块,请你们为该厂计划一下,应该分别截这两种钢板多少张,可以得到所需的三种规格成品,而且使所用钢板的面积最小?只用第一种钢板行吗?
2
解:设需要截第一种钢板x 张,第二种钢板y 张,所用钢板面积为z m,则
⎧x +y ≥12⎪2x +y ≥15⎪ ⎨目标函数z=x+2y
⎪x +3y ≥27⎪⎩x , y ∈N
作出可行域如图
作一组平行直线x+2y=t,
由⎨
⎛915⎫
可得交点 , ⎪,
⎝22⎭
⎛915⎫
但点 , ⎪不是可行域内的整点,其附近的整点
⎝22⎭
(4,8)或(6,7)可都使z 有最小值,
且z min =4+2×8=20 或z min =6+2×7=20
若只截第一种钢板,由上可知x ≥27,所用钢板面积
2
最少为z=27(m); x+2y=0 若只截第二种钢板,则y ≥15,最少需要钢板面积z=2×
2
15=30(m).
它们都比z min 大,因此都不行. 答:略
⎧x +y =12
⎩x +3y =27
⎧x -4y ≤-3⎪
[例6]设z =6x +10y ,式中x , y 满足条件⎨3x +5y ≤25,求z 的最大值和最小值.
⎪x ≥1⎩
解:由引例可知:直线l 0与AC 所在直线平行,则由引例的解题过程知,
当l 与AC 所在直线3x +5y -25=0重合时z 最大,此时满足条件的最优解有无数多个, 当l 经过点B (1,1)时,对应z 最小,∴z max =6x +10y =50,z min =6⨯1+10⨯1=16.
说明:1.线性目标函数的最大值、最小值一般在可行域的顶点处取得;
2.线性目标函数的最值也可在可行域的边界上取得,即满足条件的最优解有无数多
个.
四、典型习题导练
1.画出不等式-x +2y -4<0表示的平面区域.
⎧x +y -6≥0⎪x -y ≥0⎪
2.画出不等式组⎨表示的平面区域⎪y ≤3⎪⎩x
⎧5x +3y ≤15,
⎪
3. 求z =3x +5y 的最大值和最小值,使式中的x 、y 满足约束条件⎨y ≤x +1,
⎪x -5y ≥3. ⎩
4. 某工厂用两种不同原料均可生产同一产品,若采用甲种原料,每吨成本1000元,运费500元,可得产品90千克;若采用乙种原料,每吨成本为1500元,运费400元,可得产品100千克,如果每月原料的总成本不超过6000元,运费不超过2000元,那么此工厂每月最多可生产多少千克产品?5. 某工厂家具车间造A 、B 型两类桌子,每张桌子需木工和漆工两道工序完成. 已知木工做一
张A 、B 型桌子分别需要1小时和2小时,漆工油漆一张A 、B 型桌子分别需要3小时和1小时;又知木工、漆工每天工作分别不得超过8小时和9小时,而工厂造一张A 、B 型桌子分别获利润2千元和3千元,试问工厂每天应生产A 、B 型桌子各多少张,才能获得利润最大?⎧x ≥0, ⎪y ≥0, ⎪
6.(06年高考广东)在约束条件⎨下,当3≤s ≤5时,目标函数
y +x ≤s , ⎪⎪⎩y +2x ≤4.
z =3x +2y 的最大值的变化范围是 A.[6,15]
C.[6,8]
B.[7,15] D.[7,8]
§5.3 基本不等式的证明
一、知识导学
1. 比较法:比较法是证明不等式的最基本、最重要的方法之一,它是两个实数大小顺序和运算性质的直接应用,比较法可分为差值比较法(简称为求差法) 和商值比较法(简称为求商法).
(1)差值比较法的理论依据是不等式的基本性质:“a-b≥0⇔a≥b;a-b≤0⇔a≤b”. 其一般步骤为:①作差:考察不等式左右两边构成的差式,将其看作一个整体;②变形:把不等式两边的差进行变形,或变形为一个常数,或变形为若干个因式的积,或变形为一个或几个平方的和等等,其中变形是求差法的关键,配方和因式分解是经常使用的变形手段;③判断:根据已知条件与上述变形结果,判断不等式两边差的正负号,最后肯定所求证不等式成立的结论. 应用范围:当被证的不等式两端是多项式、分式或对数式时一般使用差值比较法.
+
(2)商值比较法的理论依据是:“若a,b∈R ,a/b≥1⇔a≥b;a/b≤1⇔a≤b”. 其一般步骤为:①作商:将左右两端作商;②变形:化简商式到最简形式;③判断商与1的大小关系,就是判定商大于1或小于1. 应用范围:当被证的不等式两端含有幂、指数式时,一般使用商值比较法.
2. 综合法:利用已知事实(已知条件、重要不等式或已证明的不等式) 作为基础,借助不等式的性质和有关定理,经过逐步的逻辑推理,最后推出所要证明的不等式,其特点和思路是“由因导果”,从“已知”看“需知”,逐步推出“结论”. 即从已知A逐步推演不等式成立的必要条件从而得出结论B.
3. 分析法:是指从需证的不等式出发,分析这个不等式成立的充分条件,进而转化为判定那个条件是否具备,其特点和思路是“执果索因”,即从“未知”看“需知”,逐步靠拢“已知”. 用分析法证明书写的模式是:为了证明命题B成立,只需证明命题B1为真,从而有„,这只需证明B2为真,从而又有„,„„这只需证明A为真,而已知A为真,故B必为真. 这种证题模式告诉我们,分析法证题是步步寻求上一步成立的充分条件.
4. 反证法:有些不等式的证明,从正面证不好说清楚,可以从正难则反的角度考虑,即要证明不等式A>B,先假设A≤B,由题设及其它性质,推出矛盾,从而肯定A>B. 凡涉及到的证明不等式为否定命题、惟一性命题或含有“至多”、“至少”、“不存在”、“不可能”等词语时,可以考虑用反证法.
5. 换元法:换元法是对一些结构比较复杂,变量较多,变量之间的关系不甚明了的不等式可
引入一个或多个变量进行代换,以便简化原有的结构或实现某种转化与变通,给证明带来新的启迪和方法. 主要有两种换元形式.(1)三角代换法:多用于条件不等式的证明,当所给条件较复杂,一个变量不易用另一个变量表示,这时可考虑三角代换,将两个变量都有同一个参数表示. 此法如果运用恰当,可沟通三角与代数的联系,将复杂的代数问题转化为三角问题; (2)增量换元法:在对称式(任意交换两个字母,代数式不变) 和给定字母顺序(如a>b>c等) 的不等式,考虑用增量法进行换元,其目的是通过换元达到减元,使问题化难为易,化繁为简. 如a+b=1,可以用a=1-t,b=t或a=1/2+t,b=1/2-t进行换元.
二、疑难知识导析
1. 在用商值比较法证明不等式时,要注意分母的正、负号,以确定不等号的方向. 2. 分析法与综合法是对立统一的两个方面,前者执果索因,利于思考,因为它方向明确,思路自然,易于掌握;后者是由因导果,宜于表述,因为它条理清晰,形式简洁,适合人们的思维习惯. 但是,用分析法探求证明不等式,只是一种重要的探求方式,而不是一种好的书写形式,因为它叙述较繁,如果把“只需证明”等字眼不写,就成了错误. 而用综合法书写的形式,它掩盖了分析、探索的过程. 因而证明不等式时,分析法、综合法常常是不能分离的. 如果使用综合法证明不等式,难以入手时常用分析法探索证题的途径,之后用综合法形式写出它的证明过程,以适应人们习惯的思维规律. 还有的不等式证明难度较大,需一边分析,一边综合,实现两头往中间靠以达到证题的目的. 这充分表明分析与综合之间互为前提、互相渗透、互相转化的辩证统一关系. 分析的终点是综合的起点,综合的终点又成为进一步分析的起点.
3. 分析法证明过程中的每一步不一定“步步可逆”,也没有必要要求“步步可逆”,因为这时仅需寻找充分条件,而不是充要条件. 如果非要“步步可逆”,则限制了分析法解决问题的范围,使得分析法只能使用于证明等价命题了. 用分析法证明问题时,一定要恰当地用好“要证”、“只需证”、“即证”、“也即证”等词语.
4. 反证法证明不等式时,必须要将命题结论的反面的各种情形一一加以导出矛盾. 5. 在三角换元中,由于已知条件的限制作用,可能对引入的角有一定的限制,应引起高度重视,否则可能会出现错误的结果. 这是换元法的重点,也是难点,且要注意整体思想的应用. 三、经典例题导讲
[例1] 已知a>b(ab≠0), 比较
11
与的大小. a b 11
错解: a>b(ab≠0) ,∴
a b
错因:简单的认为大数的倒数必定小,小数的倒数必定大. 正确的结论是:当两数同号时,大数的倒数必定小,小数的倒数必定大.
正解:
11b -a -=,又 a>b(ab≠0) , a b ab
b -a 11
(1)当a 、b 同号时,即a>b>0或b0,b-a0,b
1111
>0,. a b a b
[例2] 当a 、b 为两个不相等的正实数时,下列各式中最小的是( )
a +b a -1+b -1-1a 2+b 2
) A. B. ab C. D. (
222
错解:所以选B.
a +b a 2+b 2
错因是由于在、ab 、中很容易确定ab 最小,所以易误选B. 而事
22
实上三者中最小者,并不一定是四者中最小者,要得到正确的结论,就需要全面比较,不可
a -1+b -1-1
) 与前三者的大小比较. 遗漏(
2
正解:由均值不等式
a +b
≥2
ab 及a 2+b2≥2ab, 可知选项A 、B 、C 中,ab 最小,而
2ab a -1+b -1-1
() =,由当a ≠b 时,a+b>2ab , 两端同乘以ab ,可得(a+b)·ab
a +b 2
>2ab, ∴
2ab
<ab ,因此选D. a +b
a
b
1212
[例3] 已知:a>0 , b>0 , a+b=1,求(a+ +(b+ )的最小值.
错解: (a+
1212221121) +(b+) =a+b+2+2+4≥2ab++4≥4ab ∙+4=8, a b ab a b ab
∴(a+
1212
) +(b+) 的最小值是8. a b
2
2
错因:上面的解答中,两次用到了基本不等式a +b≥2ab ,第一次等号成立的条件是a=b=第二次等号成立的条件是ab=最小值.
1
, 2
1
,显然,这两个条件是不能同时成立的. 因此,8不是ab
[1**********]
++4=( a +b)+(+)+4=[(a+b)-2ab]+[(+) -]+4
a b ab a 2b 2a 2b 2
1
= (1-2ab)(1+22)+4,
a b
a +b 211111
由ab ≤() = 得:1-2ab ≥1-=, 且22≥16,1+22≥17,
2422a b a b 1251
∴原式≥×17+4= (当且仅当a=b=时,等号成立) ,
222121225
∴(a + ) + (b + ) 2a b
[例4] 已知0
正解:原式= a +b+
2
2
解法一:|log a (1-x ) |2- |log a (1+x ) |2=[log a (1-x ) +log a (1-x ) ][log a (1-x ) -log a (1+x ) ]
1-x
1+x
1-x 1-x 2
0 ∵0
1+x 1+x
=log a (1-x ) log a
2
∴|log a (1-x ) |> |log a (1+x ) | 解法二:
log a (1-x ) 11+x
=log 1+x (1-x ) =-log 1+x (1-x ) =log 1+x =log 1+x
2
log a (1+x ) 1-x 1-x
=1-log 1+x (1-x 2)
∵0 1, ∴-log 1+x (1-x 2) >0
2
∴1-log 1+x (1-x 2) >1 ∴|log a (1-x ) |> |log a (1+x ) | 解法三:∵0
∴log a (1-x ) >0,
log a (1+x )
∴左 - 右 = log a (1-x ) +log a (1+x ) =log a (1-x 2) ∵0 0
2
∴|log a (1-x ) |> |log a (1+x ) |
[例5]已知x = a + b ,y = c + d ,且所有字母均为正,求证:xy ≥ac + bd 证:证法一(分析法)∵a , b , c , d , x , y 都是正数 ∴要证:xy ≥ac + bd
22
只需证:(xy ) ≥(ac + bd )
222222 22
即:(a + b )(c + d ) ≥a c + b d + 2abcd
22 22222222 22
展开得:a c + b d + a d + b c ≥a c + b d + 2abcd
2222
即:a d + b c ≥2abcd 由基本不等式,显然成立 ∴xy ≥ac + bd
证法二(综合法)xy =a 2+b 2c 2+d 2=
2
2
2
2
2
2
a 2c 2+b 2c 2+a 2d 2+b 2d 2
(ac +bd ) 2=ac +bd
2222
≥a c +2abcd +b d =
证法三(三角代换法)
222
∵x = a + b ,∴不妨设a = x sin α, b = x cos α
y 2 = c 2 + d 2 c = y sin β, d = y cos β
∴ac + bd = xy sin αsin β + xy cos αcos β = xy cos(α - β) ≤xy [例6] 已知x > 0,求证: x +
1+x
1x +
1x
≥
5 2
证:构造函数f (x ) =x +
11
(x >0) 则x +≥2, 设2≤α
由f (α) -f (β) =α+
⎛11⎫(α-β)(αβ-1) 11
-(β+) =(α-β) + -⎪= ⎪αβαβ⎝αβ⎭
5
2
显然 ∵2≤α 0, αβ - 1 > 0, αβ > 0 ∴上式 > 0 ∴f (x ) 在[2, +∞) 上单调递增,∴左边≥f (2) =
四、典型习题导练
1. 比较(a +3)(a -5) 与(a +2)(a -4)的大小. 2. 已知a , b , c , d 都是正数,求证:
(ab +cd )(ac +bd ) ≥4abcd
3. 已知x > 0 , y > 0,2x + y = 1,求证:
11
+≥3+22 x y
4. 若x 2+y 2≤1,求证:|x 2+2xy -y 2|≤
2
5. 若x > 1,y > 1,求证:xy ≥1+x -1)(y -1)
2
6.证明:若a > 0,则a +
11-2≥a +-2 2
a a
§5.4不等式的应用
一、基础知识导学
1. 利用均值不等式求最值:如果a 1,a 2∈R ,那么
+
a +b
≥ab . 2
2. 求函数定义域、值域、方程的有解性、判断函数单调性及单调区间,确定参数的取值范围等. 这些问题一般转化为解不等式或不等式组,或证明不等式. 3. 涉及不等式知识解决的实际应用问题,这些问题大体分为两类:一是建立不等式解不等式;二是建立函数式求最大值或最小值. 二、疑难知识导析
不等式既属数学的基础知识,又是解决数学问题的重要工具,在解决函数定义域、值域、单调性、恒成立问题、方程根的分布、参数范围的确定、曲线位置关系的讨论、解析几何、立体几何中的最值等问题中有广泛的应用,特别是近几年来,高考试题带动了一大批实际应用题问世,其特点是:
1.问题的背景是人们关心的社会热点问题,如“物价、税收、销售收入、市场信息”等,题目往往篇幅较长.
2.函数模型除了常见的“正比例函数、反比例函数、一次函数、二次函数、幂函数、指数函数、对数函数、三角函数、反三角函数”等标准形式外,又出现了以“函数
b b
y =ax +, y =ax 2+, y =k [(a +b ) x (c -ax )(d -bx )]”
x x 为模型的新的形式. 三 经典例题导讲
[例1]求y=
x 2+5x +4
2
的最小值.
错解: y=
x 2+5x +4
2
=x 2+4+
1x +4
2
≥2
x 2+4⋅
1x +4
2
=2
∴ y 的最小值为2.
错因:等号取不到,利用均值定理求最值时“正、定、等”这三个条件缺一不可. 正解:令t=x 2+4, 则t ≥2, 于是y=t +, (t ≤2) 由于当t ≥1时,y=t +
1t
15是递增的,故当t =2即x=0时,y 取最小值.
2t
2
2
[例2]m 为何值时,方程x +(2m+1)x+m-3=0有两个正根. 错解:由根与系数的关系得⎨
⎧2m +10
2
⇒m
正根.
错因:忽视了一元二次方程有实根的条件,即判别式大于等于0.
13⎧m ≥-⎪4⎧∆=(2m +1) 2-4(m 2-3) ≥0⎪
⎪1⎪
⇒⎨m
2⎪2⎪
m -3>0⎩⎪m 3
⎪⎩
⇒-
1313
≤m ≤-3, 因此当-≤m ≤-时,原方程有两个正根. 44
[例3]若正数x ,y 满足6x +5y =36,求xy 的最大值. 解:由于x ,y 为正数,则6x ,5y 也是正数,所以
6x +5
≥6x ⋅5y =xy 2
当且仅当6x=5y时,取“=”号. 因6x +5y =36,则xy ≤
365454,即xy ≤,所以xy 的最大值为. 255
[例4] 已知:长方体的全面积为定值S ,试问这个长方体的长、宽、高各是多少时,它的体
积最大,求出这个最大值.
分析:经过审题可以看出,长方体的全面积S 是定值.因此最大值一定要用S 来表示.首要问题是列出函数关系式.设长方体体积为y ,其长、宽、高分别为a ,b ,c ,则y=abc.由
2
于a+b+c不是定值,所以肯定要对函数式进行变形.可以利用平均值定理先求出y 的最大值,这样y 的最大值也就可以求出来了.
解:设长方体的体积为y ,长、宽、高分别是为a ,b ,c ,则 y=abc,2ab+2bc+2ac=S. 而 22
y =(abc )=(ab )(bc )(ac )
当且仅当ab=bc=ac,即a=b=c时,上式取“=”号,y 有最小值
2
答:长方体的长、宽、高都等于
s s s 时体积的最大值为. 636
说明:对应用问题的处理,要把实际问题转化成数学问题,列好函数关系式是求解问题
的关健.
四、典型习题导练
32
1. 某工厂要建造一个长方体无盖贮水池,其容积为4800m , 深为3m ,如果池底每1m 的造价
2
为150元,池壁每1m 的造价为120元,问怎样设计水池能使总造价最低,最低总造价是多少元?
2. 证明:通过水管放水,当流速相同时,如果水管截面的周长相等,那么截面是圆的水管比截面是正方形的水管流量大.
3. 在四面体P-ABC 中,∠APB=∠BPC=∠CPA=90°,各棱长的和为m ,求这个四面体体积的最大值.
4. 设函数f(x)=ax+bx+c的图象与两直线y=x,y=-x,均不相 交,试证明对一切x ∈R 都有|ax 2+bx +c |>
1. 4|a |
2
5.青工小李需制作一批容积为V 的圆锥形漏斗,欲使其用料最省,问漏斗高与漏斗底面半径应具有怎样的比例?
6.轮船每小时使用燃料费用(单位:元) 和轮船速度(单位:海里/时) 的立方成正比.已知某轮船的最大船速是18海里/时,当速度是10海里/时时,它的燃料费用是每小时30元,其余费用(不论速度如何) 都是每小时480元,如果甲、乙两地相距1000海里,求轮船从甲地行驶到乙地,所需的总费用与船速的函数关系,并问船速为多少时,总费用最低?
5.5 推理与证明
一、基础知识导学
1. 推理一般包括合情推理和演绎推理.
2. 合情推理:根据已有的事实和正确的结论(包括定义、公理、定理等)、实验和实践的
结果,以及个人的经验和直觉等推测某些结果的推理过程. 归纳、类比是合情推理常用的思维方法.
3. 归纳推理:根据一类事物的部分对象具有某种性质,推出这类事物的所有对象都具有这
种性质的推理.
4. 归纳推理的一般步骤:⑴通过观察个别情况发现某些相同性质;⑵从已知的相同性质中
推出一个明确表达的一般性命题(猜想).
5. 类比推理:根据两类不同事物之间具有某些类似性,推出其中一类事物具有另一类事物
类似的性质的推理.
6. 类比推理的一般步骤:⑴找出两类事物之间的相似性或一致性;⑵从一类事物的性质去
推测另一类事物的性质,得出一个明确的命题(猜想). 7. 演绎推理:根据一般性的真命题导出特殊性命题为真的推理.
8. 直接证明的两种基本方法:分析法和综合法;间接证明的一种基本方法──反证法.
9. 分析法:从原因推导到结果的思维方法. 10. 综合法:从结果追溯到产生这一结果的原因的思维方法. 11. 反证法:判定非q 为假,推出q 为真的方法.
12. 应用反证法证明命题的一般步骤:⑴分清命题的条件和结论;⑵做出与命题结论相矛盾
的假定;⑶由假定出发,应用正确的推理方法,推出矛盾的结果;⑷间接证明命题为真. 13. 数学归纳法:设{p n }是一个与自然数相关的命题集合,如果⑴证明起始命题p 1成立;
⑵在假设p k 成立的前提上,推出p k +1也成立,那么可以断定,{p n }对一切正整数成立. 14. 数学归纳法的步骤:
(1)证明当 (如 或2等)时,结论正确;
(2)假设 时结论正确,证明 时结论也正确.
二、疑难知识导析
1. 归纳推理是根据一类事物的部分对象具有某种性质,推出这类事物的所有对象都具有这种性质的推理.
而类比推理是根据两类不同事物之间具有某些类似性,推出其中一类事物具有另一类事物类似的性质的推理.
2. 应用反证法证明命题的逻辑依据:做出与命题结论相矛盾的假定,由假定出发,应用正确的推理方法,推出矛盾的结果
3. 数学归纳法是一种证明方法,归纳推理是一种推理方法. 三、经典例题导讲
[例1] {a n }是正数组成的数列, 其前n 项和为s n , 并且对于所有的自然数n , a n 与2的等差中项等于s n 与2的等比中项. (1)写出数列{a n }的前3项;
(2)求数列{a n }的通项公式(写出推证过程); 错解:由(1)猜想数列{a n }有通项公式a n =4n -2. 下面用数学归纳法证明数列{a n }的通项公式是
a n =4n -2. (n ∈N ).
①当n =1时, 因为4×1-2=2,又在(1)中已求出a 1=2,所以上述结论成立. ②假设n=k时结论成立, 即有a k =4k -2. 由题意, 有将a k =4k -2代入上式,得2k =
a k +2
=2s k 2
2s k ,解得
s k =2k 2
由题意, 有
a k +1+2
=2s k +1, s k +1=s k +a k +1 2
将s k =2k 2代入,化简得
22a k -4a +4-16k =0 +1k +1
解得a k +1=2±4k . ∴a k +1=2+4k =4(k +1) -2 这就是说, 当n=k+1时, 上述结论成立.
根据①、②, 上述结论对所有的自然数n 成立. 错因在于解题过程中忽视了取值的取舍. 正解:由(1)猜想数列{an}有通项公式a n =4n-2. 猜想数列{a n }有通项公式a n =4n -2.
下面用数学归纳法证明数列{a n }的通项公式是
a n =4n -2. (n ∈N ).
①当n =1时, 因为4×1-2=2,又在(1)中已求出a 1=2,所以上述结论成立. ②假设n=k时结论成立, 即有a k =4k -2. 由题意, 有将a k =4k -2代入上式,得2k =
a k +2
=2s k 2
2s k ,解得
s k =2k 2
由题意, 有
a k +1+2
=2s k +1, s k +1=s k +a k +1 2
将s k =2k 2代入,化简得
22a k +1-4a k +1+4-16k =0
解得a k +1=2±4k . 由a k +1>0∴a k +1=2+4k =4(k +1) -2 这就是说, 当n=k+1时, 上述结论成立.
根据①、②, 上述结论对所有的自然数n 成立. [例2] 用数学归纳法证明对于任意自然数,
错解:证明:假设当 即 那么当
(k ∈N )时,等式成立,
,
时,
时,等式成立.
这就是说,当
可知等式对任意k ∈N 成立. 错因在于推理不严密,没有证明当正解:证明:(1)当 (2)假设当 即 那么当
的情况 .
,右式
)时,等式成立,
,
,所以等式成立.
时,左式(
时,
时,等式成立.
这就是说,当
由(1)、(2),可知等式对任意k ∈N 成立.
[例3] 是否存在自然数m ,使得若存在,求出
对任意自然数,都能被
整除,
的最大值,并证明你的结论;若不存在,说明理由.
分析 本题是开放性题型,先求出f (1) ,f (2) ,f (3) „再归纳、猜想、证明. 解:
, , ,
„„ 猜想,
(1)当
能被36整除,用数学归纳法证明如下: 时,
,能被36整除.
能被36整除.
能被36整除, 为偶数,则
能被36整除.
(2)假设当n =k ,(k ∈N )时, 那么,当
由归纳假设, 当为自然数时, ∴
这就是说当
时命题成立.
,f (n ) 都能被36整除.
时,
能被36整除,
由(1)、(2)对任意 当
取大于36的自然数时,f (1) =36不能被
整除,所以36为最大.
xy =1(x >0, y >0) 与直线y =x 的交点, [例4] 设点A 1是曲线C :过A 1点作直线y =x
的垂线交轴于B 1,过B 1点作直线y =x 的平行线交曲线C 于A 2,再过A 2点作B 1A 2的垂线作交X 轴于B 2,如此继续下去可得到一系列的点的横坐标
的通项公式.
,
,„,
,„如图,试求
分析 本题并没有指明求通过寻求
与
通项公式的方法,可用归纳——猜想——证明的方法,也可以
的通项公式. ,, 令与
(
,
)联立,解得
,得
,所以点
(
),解得
的递推关系式求与
(
解:解法一
直线
直线
的方程为的方程为
, 所以点
联立,消元得
).
,
直线 令
的方程为,得
,所以点
同样可求得点(,0)
„„ 由此推测
(
,0),即
用数学归纳法证明 (1)当 即
时,由
点的坐标为(
,0),
,所以命题成立.
时命题成立, ,0),则当
时,
(2)假设当 即
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由于直线 把它与 消去 ∴
可得
(
的方程为
,
,
)联立, (
),
于是
即点 ∴ 直线 令 即 ∴ 当 解法二 设点 建立 由数列
,与得,点的坐标为(的坐标为(
,
).
,0)
的方程为
时,命题成立. 的坐标分别为(的递推关系是等差数列,且
(
),
,0)、(
,即,公差
.
,0),
,
可求得
用数学归纳法证明与自然数n 有关的几何命题,由k 过渡到k +1常利用几何图形来分析图形前后演变情况.
[例5] 有n 个圆,其中每两个圆都相交于两点,并且每三个圆都不相交于同一点,求证:这n 个圆把平面分成f(n)=n -n +2个部分.
证明①当n =1时,即一个圆把平面分成二个部分f(1)=2 又n =1时,n -n +2=2,∴命题成立
②假设n =k 时,命题成立,即k 个圆把平面分成f(k)=k -k +2个 部分,那么设第k +1个圆记⊙O ,由题意,它与k 个圆中每个圆
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2
2
2
交于两点,又无三圆交于同一点,于是它与其它k 个圆相交于2k 个点.把⊙O 分成2k 条弧而每条弧把原区域分成2块,因此这平 面的总区域增加2k 块,即f(k+1) =k -k +2+2k=(k+1) -(k+1) +2 即n =k +1时命题成立.
由①②可知对任何n ∈N 命题均成立.
说明: 本题如何应用归纳假设及已知条件,其关键是分析k 增加“1”时,研究第k +1个圆与其它k 个圆的交点个数问题. [例6] 已知n ≥2,n ∈
N
2
2
②假设n=k时,原不等式成立.
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由①②可知,对任何n ∈N(n≥2) ,原不等式均成立.
四、典型习题导练
1. 用数学归纳法证明等式“1+2+3+„+(n +3)=当n =1时,左边应为____________.
2. 已知数列{a n }的前n 项和s n =2n -a n ,则{a n }的前四项依次为_______,猜想
(n +3)(n +4)
(n N )”,
2
a n =__________.
1
a n , (4-a n ), n ∈N . 2
3. 已知数列{a n }的各项都是正数, 且满足:a 0=1, a n +1=证明a n
1111
++ +>[log2n ],其中n 为大于2的整数,[log2n ]表示不超过23n 2
log 2n 的最大整数. 设数列{a n }的各项为正,且满足
a 1=b (b >0), a n ≤
2b na n -1
, n =3, 4, 5, . , n =2, 3, 4, 证明a n
2+b [logn ]n +a n -12
5. 自然状态下的鱼类是一种可再生资源,为持续利用这一资源,需从宏观上考察其再生能
*
力及捕捞强度对鱼群总量的影响. 用x n 表示某鱼群在第n 年年初的总量,n ∈N ,且x 1>0.
2
不考虑其它因素,设在第n 年内鱼群的繁殖量及捕捞量都与x n 成正比,死亡量与x n 成正比, 这些比例系数依次为正常数a ,b ,c. (1)求x n+1与x n 的关系式;
(2)猜测:当且仅当x 1,a ,b ,c 满足什么条件时,每年年初鱼群的总量保持不变?
*
(3)设a =2,c =1,为保证对任意x 1∈(0,2),都有x n >0,n ∈N ,则捕捞强度b 的 最大允许值是多少?证明你的结论.
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