2020届高中数学分册同步讲义(选修4-5) 第1讲 一 第2课时 基本不等式

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第2课时基本不等式学习目标1.理解并掌握重要不等式(定理1)和基本不等式(定理2).2.能运用这两个不等式解决函数的最值或值域问题,能运用这两个不等式证明一些简单的不等式.3.能运用基本不等式(定理2)解决某些实际问题.知识点 基本不等式 1.重要不等式定理1:如果a ,b ∈R ,那么a 2+b 2≥2ab ,当且仅当a =b 时,等号成立. 2.基本不等式(1)定理2:如果a ,b >0,那么a +b2≥ab ,当且仅当a =b 时,等号成立.(2)定理2的应用:对两个正实数x ,y ,①如果它们的和S 是定值,则当且仅当x =y 时,它们的积P 取得最大值; ②如果它们的积P 是定值,则当且仅当x =y 时,它们的和S 取得最小值.一、不等式的证明例1 已知a ,b ,c ∈R +,且a +b +c =1. 求证:1a +1b +1c≥9.证明 方法一 ∵a ,b ,c 为正实数,且a +b +c =1, ∴1a +1b +1c =a +b +c a +a +b +c b +a +b +c c =3+b a +c a +a b +c b +a c +b c=3+⎝⎛⎭⎫b a +a b +⎝⎛⎭⎫c a +a c +⎝⎛⎭⎫c b +b c≥3+2+2+2=9,当且仅当a =b =c 时,等号成立. ∴1a +1b +1c≥9. 方法二 ∵a ,b ,c ∈R +,且a +b +c =1, ∴1a +1b +1c =(a +b +c )⎝⎛⎭⎫1a +1b +1c =1+b a +c a +a b +1+c b +a c +b c +1=3+⎝⎛⎭⎫b a +a b +⎝⎛⎭⎫c a +a c +⎝⎛⎭⎫c b +b c≥3+2+2+2=9,当且仅当a =b =c 时,等号成立. ∴1a +1b +1c ≥9. 引申探究1.若本例条件不变,求证:a 2b +b 2c +c 2a ≥1.证明 ∵a 2+b 2≥2ab , ∴a 2b≥2a -b . 同理,b 2c ≥2b -c ,c 2a ≥2c -a .∴a 2b +b 2c +c 2a≥(2a -b )+(2b -c )+(2c -a )=a +b +c =1, ∴a 2b +b 2c +c 2a≥1. 当且仅当a =b =c 时,取等号.2.若本例条件不变,求证:a 2+b 2+b 2+c 2+c 2+a 2≥ 2. 证明 ∵a 2+b 2≥2ab ,∴2(a 2+b 2)≥(a +b )2. 又a ,b ,c ∈R +, ∴a 2+b 2≥22|a +b |=22(a +b ).同理,b 2+c 2≥22(b +c ),c 2+a 2≥22(a +c ). 三式相加,得a 2+b 2+b 2+c 2+c 2+a 2≥ 2(a +b +c )=2, 当且仅当a =b =c 时取等号.反思感悟 用基本不等式证明不等式时,应首先依据不等式两边式子的结构特点进行恒等变形,使之具备基本不等式的结构和条件,然后合理地选择基本不等式进行证明. 跟踪训练1 (1)已知a ,b ,c ,d ∈R +,求证:(ab +cd )·(ac +bd )≥4abcd ; (2)已知a >0,b >0且a +b =1,求证:⎝⎛⎭⎫1+1a ⎝⎛⎭⎫1+1b ≥9. 证明 (1)∵a ,b ,c ,d ∈R +, ∴ab +cd ≥2abcd ,ac +bd ≥2acbd , ∴(ab +cd )(ac +bd )≥4abcd . 当且仅当a =d 且b =c 时取等号. (2)⎝⎛⎭⎫1+1a ⎝⎛⎭⎫1+1b =⎝⎛⎭⎫1+a +b a ⎝⎛⎭⎫1+a +b b =⎝⎛⎭⎫2+b a ⎝⎛⎭⎫2+a b =4+2⎝⎛⎭⎫b a +a b +1≥5+2×2=9,当且仅当a =b =12时取等号. ∴⎝⎛⎭⎫1+1a ⎝⎛⎭⎫1+1b ≥9. 二、利用基本不等式求最值例2 (1)设x >0,y >0且2x +y =1,求1x +2y 的最小值;(2)若x <0,求f (x )=12x+3x 的最大值.解 (1)1x +2y =⎝⎛⎭⎫1x +2y ×1=⎝⎛⎭⎫1x +2y (2x +y )=4+4x y +yx ≥4+24x y ·y x =4+4=8,当且仅当4xy=y x ,即x =14,y =12时,等号成立, ∴1x +2y的最小值是8. (2)∵x <0,∴-x >0, ∴f (x )=-⎣⎡⎦⎤12-x +3(-x )≤-236=-12,当且仅当-12x =-3x ,即x=-2时,等号成立,∴f (x )的最大值是-12.反思感悟 在应用基本不等式求最值时,分以下三步进行(1)首先看式子能否出现和(或积)的定值,若不具备,需对式子变形,凑出需要的定值. (2)其次,看所用的两项是否同正,若不满足,通过分类解决,同负时,可提取-1变为同正. (3)利用已知条件对取等号的情况进行验证.若满足,则可取最值,若不满足,则可通过函数的单调性或导数解决.跟踪训练2 若实数a ,b 满足1a +2b =ab ,则ab 的最小值为( )A. 2B.2C.2 2D.4 答案 C解析 因为1a +2b =ab ,所以a >0,b >0,因为ab =1a +2b≥21a ×2b=22ab, 所以ab ≥22(当且仅当b =2a 时取等号),所以ab 的最小值为2 2. 三、利用基本不等式解决实际应用问题例3 某国际化妆品生产企业为了占有更多的市场份额,拟在2019年大型展销会期间进行一系列促销活动,经过市场调查和测算,化妆品的年销量x (万件)与年促销费用t (万元)之间满足3-x 与t +1成反比例的关系,如果不搞促销活动,化妆品的年销量只能是1万件,已知2019年生产化妆品的设备折旧、维修等固定费用为3万元,每生产1万件化妆品需要投入32万元的生产费用,若将每件化妆品的售价定为其生产成本的150%与平均每件促销费的一半之和,则当年生产的化妆品正好能销完.(1)将2019年的利润y (万元)表示为促销费用t (万元)的函数; (2)该企业2019年的促销费投入多少万元时,企业的年利润最大? 解 (1)由题意可设3-x =k t +1(k ≠0),将t =0,x =1代入,得k =2.∴x =3-2t +1.当年生产x 万件时,∵年生产成本=年生产费用+固定费用, ∴年生产成本为32x +3=32⎝⎛⎭⎫3-2t +1+3.当销售x (万件)时,年销售收入为150%⎣⎡⎦⎤32⎝⎛⎭⎫3-2t +1+3+12t .由题意,生产x 万件化妆品正好销售完,由年利润=年销售收入—年生产成本—促销费用, 得年利润y =-t 2+98t +352(t +1)(t ≥0).(2)y =-t 2+98t +352(t +1)=50-⎝ ⎛⎭⎪⎫t +12+32t +1 ≤50-2t +12×32t +1=50-216=42, 当且仅当t +12=32t +1,即当t =7时,等号成立,y max =42, ∴当促销费用定在7万元时,年利润最大.反思感悟 利用不等式解决实际应用问题时,首先要仔细阅读题目,弄清要解决的实际问题,确定是求什么量的最值;其次,分析题目中给出的条件,建立y 的函数表达式y =f (x )(x 一般为题目中最后所要求的量);最后,利用不等式的有关知识解题.求解过程中要注意实际问题对变量x 的范围制约.跟踪训练3 围建一个面积为360 m 2的矩形场地,要求矩形场地的一面利用旧墙(利用旧墙需维修),其他三面围墙要新建,在旧墙的对面的新墙上要留一个宽度为2 m 的进出口,如图所示,已知旧墙的维修费用为45元/m ,新墙的造价为180元/m ,设利用的旧墙的长度为x (单位:m),总费用为y (单位:元).(1)将y 表示为x 的函数;(2)试确定x ,使修建此矩形场地围墙的总费用最小,并求出最小总费用. 解 (1)如题图所示,设矩形的另一边长为a m. 则y =45x +180(x -2)+180×2a =225x +360a -360. 由已知xa =360,得a =360x ,∴y =225x +3602x -360(x >2).(2)∵x >2,∴225x +3602x ≥2225x ×3602x=2225×3602=10 800.∴y =225x +3602x-360≥10 440,当且仅当225x =3602x ,即当x =24时等号成立,此时修建围墙的总费用最小,最小总费用是10 440元.1.下列不等式中,正确的个数是( ) ①若a ,b ∈R ,则a +b2≥ab ;②若x ∈R ,则x 2+2+1x 2+2>2;③若x ∈R ,则x 2+1+1x 2+1≥2;④若a ,b ∈R +,则a +b2≥ab . A.0 B.1 C.2 D.3 答案 C解析 显然①不正确;③正确;对②,虽然x 2+2=1x 2+2无解,但x 2+2+1x 2+2>2成立,故②正确;④不正确,如a =1,b=4.2.已知a >0,b >0,a ,b 的等差中项是12,且α=a +1a ,β=b +1b ,则α+β的最小值是( )A.3B.4C.5D.6 答案 C解析 ∵a +b =2×12=1,a >0,b >0,∴α+β=a +1a +b +1b =1+1ab ≥1+1⎝⎛⎭⎫a +b 22=5,当且仅当a =b =12时取“=”号.3.下列不等式的证明过程正确的是( ) A.若a ,b ∈R ,则b a +ab≥2b a ·a b=2 B.若x >0,则cos x +1cos x ≥2cos x ·1cos x=2C.若x <0,则x +4x≤2x ·4x=4 D.若a ,b ∈R ,且ab <0,则b a +a b =-⎣⎡⎦⎤⎝⎛⎭⎫-b a +⎝⎛⎭⎫-a b ≤-2⎝⎛⎭⎫-b a ⎝⎛⎭⎫-a b =-2 答案 D解析 对于A ,a ,b 必须同号;对于B ,cos x 不一定大于0;对于C ,由x <0, 得x +4x =-⎣⎡⎦⎤(-x )+4(-x )≤-2(-x )·4(-x )=-4.对于D ,由ab <0,得b a <0,ab <0,所以b a +a b =-⎣⎡⎦⎤⎝⎛⎭⎫-b a +⎝⎛⎭⎫-a b ≤-2⎝⎛⎭⎫-b a ⎝⎛⎭⎫-a b =-2.4.当x >1时,函数y =x +1x -1的最小值是________. 答案 3解析 因为x >1,所以y =x +1x -1=(x -1)+1x -1+1≥2(x -1)·1x -1+1=3,当且仅当x -1=1x -1,且x >1,即x =2时等号成立.故函数的最小值为3. 5.已知lg x +lg y =2,则1x +1y 的最小值为________.答案 15解析 因为lg x +lg y =2,所以lg(xy )=2.所以xy =102.所以1x +1y =x +y xy ≥2xy xy =2100100=15,当且仅当x =y =10时,等号成立.1.对于基本不等式的应用,如果能熟练掌握一些常见结论,可使应用更加灵活快捷. (1)ab ≤⎝⎛⎭⎫a +b 22≤a 2+b 22. (2)ab ≤ a +b 2≤a 2+b 22(a ,b ∈R +). (3)b a +ab ≥2(a ,b 同号). (4)(a +b )⎝⎛⎭⎫1a +1b ≥4(a ,b ∈R +). (5)a 2+b 2+c 2≥ab +bc +ca .2.利用基本不等式求最值,关键是对式子进行恰当的变形,合理构造“和式”与“积式”的互化,必要时可多次应用基本不等式.注意一定要求出使“=”成立的自变量的值,这也是进一步检验是否存在最值的重要依据.一、选择题1.已知x >0,则2x +8x 的最小值和取得最小值时的x 值分别是( )A.8,2B.8,4C.16,2D.16,4答案 A 解析 2x +8x≥22x ·8x =8,当且仅当2x =8x,即x =2时,取“=”,故选A. 2.若log 4(3a +4b )=log 2ab ,则a +b 的最小值是( )A.6+2 3B.7+2 3C.6+4 3D.7+4 3答案 D解析 由题意得⎩⎪⎨⎪⎧ab >0,ab ≥0,3a +4b >0,所以⎩⎪⎨⎪⎧a >0,b >0.又log 4(3a +4b )=log 2ab ,所以log 4(3a +4b )=log 4ab , 所以3a +4b =ab ,故4a +3b =1.所以a +b =(a +b )⎝⎛⎭⎫4a +3b =7+3a b +4b a ≥7+23a b ·4b a =7+43,当且仅当3a b =4ba时取等号.故选D. 3.已知a >0,b >0,则1a +1b +2ab 的最小值为( )A.2B.2 2C.4D.5 答案 C解析 ∵a >0,b >0, ∴1a +1b +2ab ≥2ab +2ab ≥22ab·2ab =4, 当且仅当a =b 时,等号成立.4.设a >0,b >0,若3是3a 与3b 的等比中项,则1a +1b 的最小值为( )A.8B.4C.1D.14答案 B解析 ∵3是3a 与3b 的等比中项, ∴3a ·3b =3a +b =3,∴a +b =1. ∴1a +1b =⎝⎛⎭⎫1a +1b (a +b )=2+b a +ab ≥4. 当且仅当a =b =12时,等号成立.5.下列说法中,正确的个数是( ) ①函数y =x +1x 的最小值是2;②函数y =cos x +9cos x ⎝⎛⎭⎫x ∈⎝⎛⎭⎫0,π2的最小值为6; ③若正数a ,b 满足2a +b =2,则ab 的最大值为12.A.0B.1C.2D.3答案 B解析 当x >0时,y =x +1x ≥2,当且仅当x =1x,即x =1时,等号成立,当x <0时,-y =(-x )+1-x ≥2,当且仅当-x =1-x,即x =-1时,等号成立,所以y ≤-2,所以①错误;由x ∈⎝⎛⎭⎫0,π2,得cos x ∈(0,1),所以y =cos x +9cos x>10,所以②错误;由2=2a +b ≥22ab ,得ab ≤12,当且仅当a =12,b =1时,等号成立,所以③正确. 6.某公司租地建仓库,每月土地占用费y 1与仓库到车站的距离成反比,而每月库存货物的运费y 2与仓库到车站的距离成正比,如果在距离车站10千米处建仓库,这两项费用y 1和y 2分别为2万元和8万元,那么,要使这两项费用之和最小,仓库应建在离车站( )A.5千米处B.4千米处C.3千米处D.2千米处答案 A解析 由已知y 1=20x,y 2=0.8x (x 为仓库到车站的距离). 费用之和y =y 1+y 2=0.8x +20x ≥20.8x ·20x =8. 当且仅当0.8x =20x,即x =5时等号成立. 二、填空题7.若a >0,b >0,a +b =1,则⎝⎛⎭⎫1a 2-1⎝⎛⎭⎫1b 2-1的最小值是________. 答案 9解析 因为⎝⎛⎭⎫1a 2-1⎝⎛⎭⎫1b 2-1=1-a 2a 2·1-b 2b2 =(1-a )(1+a )a 2·(1-b )(1+b )b 2 =(1+a )(1+b )ab =1+a +b +ab ab =1+2ab. 由a >0,b >0,a +b =1,得ab ≤⎝⎛⎭⎫a +b 22=14, 所以1ab≥4,所以⎝⎛⎭⎫1a 2-1⎝⎛⎭⎫1b 2-1≥9, 当且仅当a =b =12时取等号.8.已知x >0,y >0且满足x +y =6,则使不等式1x +9y≥m 恒成立的实数m 的取值范围为________.答案 ⎝⎛⎦⎤-∞,83 解析 因为x >0,y >0,1x +9y =x +y 6×⎝⎛⎭⎫1x +9y =16⎝⎛⎭⎫10+y x +9x y ≥16×(10+6)=83. 当且仅当y x =9x y时等号成立,又x +y =6,x >0,y >0, 得x =32,y =92. 所以m 的取值范围是⎝⎛⎦⎤-∞,83. 9.已知x ,y ∈(0,+∞),2x -3=⎝⎛⎭⎫12y ,则1x +4y的最小值为________. 答案 3解析 ∵2x -3=⎝⎛⎭⎫12y ,∴x -3=-y ,即x +y =3.故1x +4y =13(x +y )·⎝⎛⎭⎫1x +4y =53+y 3x +4x 3y ≥53+ 2y 3x ·4x 3y =53+43=3 ⎝⎛⎭⎫当且仅当y 3x =4x 3y ,即x =1,y =2时,等号成立. 10.若正数a ,b 满足ab =a +b +3,则ab 的取值范围是________. 答案 [9,+∞)解析 令ab =t (t >0),由ab =a +b +3≥2ab +3,得t 2≥2t +3,所以t ≥3或t ≤-1(舍去),所以ab ≥3,ab ≥9,当且仅当a =b =3时取等号.11.函数y =x 2+5x +15x +2(x ≥0)的最小值为________. 答案 7解析 y =x 2+5x +15x +2=(x +2)2+(x +2)+9x +2=(x +2)+9x +2+1≥2(x +2)·9x +2+1=7. 当且仅当x +2=9x +2,即x =1时取等号. ∴当x =1时,y min =7.三、解答题12.(1)已知正数a ,b 满足a +4b =4,求1a +1b的最小值; (2)求函数y =x 2+2x 2+6的最大值. 解 (1)因为a >0,b >0,且a +4b =4,所以1a +1b =14(a +4b )⎝⎛⎭⎫1a +1b =14⎝⎛⎭⎫5+a b +4b a ≥14⎝⎛⎭⎫5+2 a b ·4b a =94, 当且仅当a =43,b =23时取等号, 所以1a +1b 的最小值为94. (2)令t =2+x 2(t ≥2),则f (t )=t t 2+4=1t +4t ≤12 t ·4t=14, 当且仅当t =2,即x =±2时,取等号.故y =x 2+2x 2+6的最大值为14. 13.如图,将一矩形花坛ABCD 扩建成一个更大的矩形花坛AMPN ,要求点B 在AM 上,点D 在AN 上,且对角线MN 过点C ,已知AB =3 m ,AD =2 m.(1)要使矩形AMPN 的面积大于32 m 2,则AN 的长应在什么范围内?(2)当AN 的长度是多少时,矩形AMPN 的面积最小?并求最小面积;(3)若AN 的长度不小于6 m ,则当AN 的长度是多少时,矩形AMPN 的面积最小?并求出最小面积.解 (1)设AN =x m(x >2),则ND =(x -2)m.∵ND DC =AN AM ,∴x -23=x AM ,∴AM =3x x -2, ∴3x x -2·x >32,∴3x 2-32x +64>0, ∴(3x -8)(x -8)>0,∴2<x <83或x >8. ∴AN 的长的范围为⎝⎛⎭⎫2,83∪(8,+∞). (2)由(1)知,S 矩形AMPN =3x 2x -2=3(x -2)2+12(x -2)+12x -2=3(x -2)+12x -2+12≥236+12=24. 当且仅当x =4时取等号.∴当AN 的长度为4 m 时,矩形AMPN 的面积最小,矩形AMPN 的最小面积为24 m 2.(3)由(2)得S 矩形AMPN =3(x -2)+12x -2+12(x ≥6), 令x -2=t (t ≥4),则S 矩形AMPN =3t +12t+12(t ≥4). 设f (t )=3t +12t+12(t ≥4), 则f ′(t )=3-12t 2,当t ≥4时,f ′(t )>0, ∴函数f (t )在[4,+∞)上单调递增,∴f (t )min =f (4)=27,此时x =6.∴若AN 的长度不小于6 m ,则当AN 的长度是6 m 时,矩形AMPN 的面积最小,最小面积为27 m 2.14.已知a ,b ,c ∈R +,且a +b +c =1. 求证:3a +2+3b +2+3c +2<6.证明 ∵3a +2=(3a +2)·1≤3a +32,且由于3a +2≠1, ∴等号不成立,∴3a +2<3a +32. 同理3b +2<3b +32,3c +2<3c +32, ∴3a +2+3b +2+3c +2<12[3(a +b +c )+9]=6. 15.已知a ,b ,x ,y ∈R +,x ,y 为变量,a ,b 为常数,且a +b =10,a x +b y=1,x +y 的最小值为18,求a ,b .解 因为x +y =(x +y )⎝⎛⎭⎫a x +b y=a +b +bx y +ay x≥a +b +2ab =(a +b )2, 当且仅当bx y =ay x时取等号. 又(x +y )min =(a +b )2=18,即a +b +2ab =18.①又a +b =10,②由①②可得⎩⎪⎨⎪⎧ a =2,b =8或⎩⎪⎨⎪⎧ a =8,b =2.。