内容正文:
第一章 集合与常用逻辑用语、不等式
第四节 基本不等式
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第1轮 数学(X)
第一章 集合与常用逻辑用语、不等式
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必备知识 基础落实
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课时作业(四)
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第一章 集合与常用逻辑用语、不等式
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课标解读
1.了解基本不等式的证明过程.
2.会用基本不等式解决简单的最大(小)值问题.
3.会用基本不等式解决实际问题.
1.定理及推论
定理:对任意a,b∈R,必有a2+b2__2ab,当且仅当______时等号成立.
推论:对任意a,b≥0,必有 eq \f(a+b,2) ≥ eq \r(ab) ,当且仅当a=b时等号成立.
一般地,对于正数a,b,我们把 eq \f(a+b,2) 称为a,b的算术平均数, eq \r(ab) 称为a,b的几何平均数.
2.基本不等式的解释
(1)几何角度:两个正数的算术平均数__________它们的几何平均数.
(2)数列角度:两个正数的等差中项不小于它们的正的等比中项.
3.利用基本不等式求最值
已知x,y都为正数,则
(1)如果积xy是定值__,那么当且仅当x=y时,和 x+y有最小值____;
(2)如果和x+y是定值__,那么当且仅当x=y时,积 xy有最大值__.
2 eq \r(p)
eq \f(s2,4)
1.判断正误
(1)两个不等式a2+b2≥2ab与 eq \f(a+b,2) ≥ eq \r(ab) 成立的条件是相同的.( )
(2)(a+b)2≥4ab(a,b∈R).( )
(3)函数y=x+ eq \f(1,x) 的最小值是2.( )
(4)“x>0且y>0”是“ eq \f(x,y) + eq \f(y,x) ≥2”的充分而不必要条件.( )
2.设0<a<b,则下列不等式中正确的是( )
A.a<b< eq \r(ab) < eq \f(a+b,2)
B.a< eq \r(ab) < eq \f(a+b,2) <b
C.a< eq \r(ab) <b< eq \f(a+b,2)
D. eq \r(ab) <a< eq \f(a+b,2) <b
B 解析:因为0<a<b,所以a- eq \r(ab) = eq \r(a) ( eq \r(a) - eq \r(b) )<0,故a< eq \r(ab) .又因为b- eq \f(a+b,2) = eq \f(b-a,2) >0,所以b> eq \f(a+b,2) .由基本不等式知 eq \f(a+b,2) > eq \r(ab) .综上所述,a< eq \r(ab) < eq \f(a+b,2) <b,故选B.
3.(2023·河南安阳模拟)已知a>0,b>0,则下列命题错误的是( )
A.若ab≤1,则 eq \f(1,a) + eq \f(1,b) ≥2
B.若a+b=4,则 eq \f(1,a) + eq \f(9,b) 的最小值为4
C.若a2+b2=4,则ab的最大值为2
D.若2a+b=1,则ab的最大值为 eq \f(\r(2),2)
D 解析:∵0<ab≤1,∴ eq \f(1,ab) ≥1,∴ eq \f(1,a) + eq \f(1,b) ≥2 eq \r(\f(1,ab)) ≥2,故A选项正确;
若a+b=4,则 eq \f(1,a) + eq \f(9,b) = eq \f(1,4) (a+b)( eq \f(1,a) + eq \f(9,b) )= eq \f(1,4) ( eq \f(b,a) + eq \f(9a,b) +10)≥ eq \f(1,4) (2 eq \r(\f(b,a)×\f(9a,b)) +10)=4,
当且仅当a=1,b=3时等号成立,故B选项正确;
若a2+b2=4,则ab≤ eq \f(a2+b2,2) =2,当且仅当a=b= eq \r(2) 时等号成立,故C选项正确;
若2a+b=1,则1=2a+b≥2 eq \r(2ab) ,即ab≤ eq \f(1,8) ,当且仅当a= eq \f(1,4) ,b= eq \f(1,2) 时等号成立,故D选项错误.故选D.
4.已知0<x<1,则当x(3-3x)取得最大值时x的值为________________.
答案: eq \f(1,2) 解析:因为0<x<1,所以x(3-3x)=3x(1-x)≤3 eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(x+(1-x),2)))
eq \s\up12(2) = eq \f(3,4) .当且仅当x=1-x,即x= eq \f(1,2) 时,等号成立.
5.设xy>0,则 eq \f(2y-x,x) + eq \f(x+2y,y) 的最小值为____________________________.
答案:2 eq \r(2) +1 解析:因为x,y为正数,由 eq \f(2y-x,x) + eq \f(x+2y,y) =1+ eq \f(2y,x) + eq \f(x,y) ≥1+2 eq \r(\f(2y,x)·\f(x,y)) =1+2 eq \r(2) ,
当且仅当 eq \f(2y,x) = eq \f(x,y) ,即x= eq \r(2) y时,等号成立.
故答案为2 eq \r(2) +1.
角度1 利用拼凑法求最值
【例1】 (1)已知正实数a,b满足a+4b=1,则ab的最大值为_______.
(2)函数f (x)= eq \f(x,x2+1) 的最大值是________________,取得最大值时x=___.
答案:(1) eq \f(1,16) (2) eq \f(1,2) 1 解析:(1)ab= eq \f(1,4) a·4b≤ eq \f(1,4) ( eq \f(a+4b,2) )2= eq \f(1,4) × eq \f(1,4) = eq \f(1,16) ,
当且仅当a=4b,即a= eq \f(1,2) ,b= eq \f(1,8) 时取等号,
所以ab的最大值为 eq \f(1,16) .
(2)当x>0时,f (x)= eq \f(x,x2+1) = eq \f(1,x+\f(1,x)) ≤ eq \f(1,2\r(x·\f(1,x))) = eq \f(1,2) ,当且仅当x= eq \f(1,x) ,即x=1时,等号成立;
当x<0时,f (x)= eq \f(x,x2+1) = eq \f(1,x+\f(1,x)) = eq \f(-1,(-x)+(-\f(1,x))) ≥ eq \f(-1,2\r((-x)·(-\f(1,x)))) =- eq \f(1,2) ,当且仅当-x=- eq \f(1,x) ,即x=-1时,等号成立.
当x=0时,f (0)= eq \f(0,02+1) =0,
综上,函数f (x)= eq \f(x,x2+1) 的最大值是 eq \f(1,2) ,取得最大值时x=1.
【练1】 若a,b∈R,ab>0,则 eq \f(a4+4b4+1,ab) 的最小值为________________.
答案:4 解析:因为ab>0,所以 eq \f(a4+4b4+1,ab) ≥ eq \f(2\r(4a4b4)+1,ab)
= eq \f(4a2b2+1,ab) =4ab+ eq \f(1,ab) ≥2 eq \r(4ab·\f(1,ab)) =4,当且仅当 eq \b\lc\{(\a\vs4\al\co1(\b\lc\ (\a\vs4\al\co1(a2=2b2,,ab=\f(1,2))))) 时等号成立,故 eq \f(a4+4b4+1,ab) 的最小值是4.
角度2 利用常数代换法求最值
【例2】 (2023·山东烟台模拟)已知两个正数x,y满足x+2y=8xy,则4x+2y的最小值为( )
A. eq \f(7,4) B.2 C. eq \f(9,4)
D. eq \f(5,2)
C 解析:将x+2y=8xy两边同时除以xy,得 eq \f(2,x) + eq \f(1,y) =8,则4x+2y= eq \f(1,8) (4x+2y) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(2,x)+\f(1,y)))
= eq \f(1,8)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(10+\f(4y,x)+\f(4x,y))) ≥ eq \f(1,8)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(10+2\r(\f(4y,x)·\f(4x,y)))) = eq \f(9,4) ,
当且仅当 eq \f(4y,x) = eq \f(4x,y) ,即y=x= eq \f(3,8) 时等号成立.
故4x+2y的最小值为 eq \f(9,4) .
【练2】 已知x>y>0且4x+3y=1,则 eq \f(1,2x-y) + eq \f(2,x+2y) 的最小值为( )
A.10 B.9 C.8
D.7
B 解析:由题意x>y>0得,2x-y>0,x+2y>0,
令a=2x-y,b=x+2y,则a+2b=4x+3y,
由4x+3y=1得a+2b=1,
故 eq \f(1,2x-y) + eq \f(2,x+2y) =( eq \f(1,a) + eq \f(2,b) )(a+2b)=5+ eq \f(2b,a) + eq \f(2a,b)
≥5+2 eq \r(\f(2b,a)·\f(2a,b)) =9,
当且仅当 eq \f(2b,a) = eq \f(2a,b) ,结合a+2b=1,即a=b= eq \f(1,3) 时取等号,
也即2x-y= eq \f(1,3) ,x+2y= eq \f(1,3) ,即x= eq \f(1,5) ,y= eq \f(1,15) 时,等号成立,
故 eq \f(1,2x-y) + eq \f(2,x+2y) 的最小值为9.
故选B.
角度3 利用消元法求最值
【例3】 已知x>0,y>0,x+3y+xy=9,则x+3y的最小值为________________.
答案:6 解析:方法一(换元消元法)
由已知得9-(x+3y)= eq \f(1,3) ·x·3y≤ eq \f(1,3) · eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x+3y,2)))
eq \s\up12(2) ,当且仅当x=3y,即x=3,y=1时取等号.
即(x+3y)2+12(x+3y)-108≥0,
令x+3y=t,则t>0且t2+12t-108≥0,得t≥6,即x+3y的最小值为6.
方法二(代入消元法)
由x+3y+xy=9,得x= eq \f(9-3y,1+y) ,
所以x+3y= eq \f(9-3y,1+y) +3y= eq \f(9-3y+3y(1+y),1+y)
= eq \f(9+3y2,1+y) = eq \f(3(1+y)2-6(1+y)+12,1+y)
=3(1+y)+ eq \f(12,1+y) -6≥2 eq \r(3(1+y)· \f(12,1+y)) -6=12-6=6,
当且仅当3(1+y)= eq \f(12,1+y) ,即y=1,x=3时取等号,
所以x+3y的最小值为6.
【变式探究】 本例条件不变,求xy的最大值.
解:方法一 ∵9-xy=x+3y≥2 eq \r(3xy) ,
∴9-xy≥2 eq \r(3xy) .
令 eq \r(xy) =t,∴t>0,∴9-t2≥2 eq \r(3) t,即t2+2 eq \r(3) t-9≤0,
解得0<t≤ eq \r(3) ,∴ eq \r(xy) ≤ eq \r(3) ,∴xy≤3,
当且仅当x=3y,即x=3,y=1时取等号,
∴xy的最大值为3.
方法二 ∵x= eq \f(9-3y,1+y) ,∴xy= eq \f(9-3y,1+y) ·y= eq \f(9y-3y2,1+y)
= eq \f(-3(y+1)2+15(y+1)-12,y+1) =-3(y+1)- eq \f(12,y+1) +15≤-2 eq \r(3(y+1)·\f(12,y+1)) +15=3.
当且仅当3(y+1)= eq \f(12,y+1) ,即y=1,x=3时取等号.
∴xy的最大值为3.
【练3】 (2023·重庆南开中学质量检测)已知x>0,y>0,xy+2x-y=10,则x+y的最小值为( )
A.2 eq \r(2) -1
B.2 eq \r(2)
C.4 eq \r(2)
D.4 eq \r(2) -1
D 解析:因为x>0,y>0,
由xy+2x-y=10,得x= eq \f(y+10,y+2) ,
所以x+y= eq \f(y+10,y+2) +y= eq \f(8,y+2) +y+2-1≥2 eq \r(\f(8,y+2)·(y+2)) -1=4 eq \r(2) -1,
当且仅当 eq \f(8,y+2) =y+2,即y=2 eq \r(2) -2时,等号成立.
故x+y的最小值为4 eq \r(2) -1.故选D.
角度1 基本不等式与其他知识交汇的最值问题
【例4】 (1)(2023·江西省新八校联考)已知圆(x-1)2+(y-1)2=1关于直线ax+by-1=0(a>0,b>0)对称,则 eq \f(b2+2a,ab) 的最小值为( )
A.3
B.3+2 eq \r(2)
C.2
D.2+2 eq \r(2)
(2)(2023·山东省实验中学高三模拟)已知随机变量ξ~N(2,σ2),且P(ξ≤1)=P(ξ≥a+2),则 eq \f(1,1+ax) - eq \f(1,1+3x) (x>0)的最大值为( )
A.3+2 eq \r(3)
B.3-2 eq \r(3)
C.2+ eq \r(3)
D.2- eq \r(3)
(1)D (2)D 解析:(1)由题意可知,圆心(1,1)在直线ax+by-1=0上,则a+b=1.
又因为a>0,b>0,
所以 eq \f(b2+2a,ab) = eq \f(b2+2a(a+b),ab) = eq \f(b2+2a2+2ab,ab) = eq \f(b,a) + eq \f(2a,b) +2≥2 eq \r(2) +2,
当且仅当 eq \f(b,a) = eq \f(2a,b) 且a+b=1,
即a= eq \r(2) -1,b=2- eq \r(2) 时等号成立,
故 eq \f(b2+2a,ab) 的最小值为2+2 eq \r(2) .故选D.
(2)因为随机变量ξ~N(2,σ2),且P(ξ≤1)=P(ξ≥a+2),
所以P(ξ≤1)=P(ξ≥3),即a+2=3,
所以a=1,
所以 eq \f(1,1+ax) - eq \f(1,1+3x) = eq \f(1,1+x) - eq \f(1,1+3x) .
令f (x)= eq \f(1,1+x) - eq \f(1,1+3x) ,x∈(0,+∞),
所以f (x)= eq \f(1,1+x) - eq \f(1,1+3x) = eq \f(1+3x-1-x,(1+x)(1+3x)) = eq \f(2x,1+4x+3x2) = eq \f(2,3x+\f(1,x)+4) .
又3x+ eq \f(1,x) +4≥2 eq \r(3x·\f(1,x)) +4=2 eq \r(3) +4,当且仅当3x= eq \f(1,x) ,即x= eq \f(\r(3),3) 时取等号,
所以f (x)= eq \f(2,3x+\f(1,x)+4) ≤ eq \f(2,2\r(3)+4) =2- eq \r(3) ,
即 eq \f(1,1+ax) - eq \f(1,1+3x) (x>0)的最大值为2- eq \r(3) .
故选D.
【练4】 在△ABC中,角A,B,C所对的边分别为a,b,c,∠ABC=
120°,∠ABC的平分线BD交AC于点D,且BD=1,则4a+c的最小值为________________.
答案:9 解析:依题意画出图形,如图所示.
∵BD是∠ABC的平分线,∠ABC=120°,
∴∠ABD=∠DBC=60°.
易知S△ABD+S△BCD=S△ABC,即 eq \f(1,2) c sin 60°+ eq \f(1,2) a sin 60°= eq \f(1,2) ac sin 120°,∴a+c=ac,∴ eq \f(1,a) + eq \f(1,c) =1,
∴4a+c=(4a+c) eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a)+\f(1,c))) =5+ eq \f(c,a) + eq \f(4a,c) ≥5+2 eq \r(\f(c,a)·\f(4a,c)) =9,当且仅当 eq \f(c,a) = eq \f(4a,c) ,即a= eq \f(3,2) ,c=3时等号成立,故4a+c的最小值为9.
角度2 求参数值或取值范围
【例5】 已知正数x,y满足x+y=4,若a≤ eq \f(x2,x+1) + eq \f(y2,y+2) 恒成立,则实数a的取值范围是________________.
答案:(-∞, eq \f(16,7) ] 解析:已知正数x, y 满足 x+y=4,
所以(x+1)+(y+2)=7,所以 eq \f(x+1,7) + eq \f(y+2,7) =1,
则 eq \f(x2,x+1) + eq \f(y2,y+2) = eq \f((x+1-1)2,x+1) +
eq \f((y+2-2)2,y+2) = eq \f((x+1)2-2(x+1)+1,x+1) + eq \f((y+2)2-4(y+2)+4,y+2) =x+1-2+ eq \f(1,x+1) +y+2-4+ eq \f(4,y+2) = eq \f(1,x+1) + eq \f(4,y+2) +1=( eq \f(x+1,7) + eq \f(y+2,7) )·( eq \f(1,x+1) + eq \f(4,y+2) )+1= eq \f(1,7) + eq \f(4(x+1),7(y+2)) + eq \f(y+2,7(x+1)) + eq \f(4,7) +1≥ eq \f(12,7) +
2 eq \r(\f(4(x+1),7(y+2))·\f(y+2,7(x+1))) = eq \f(16,7) ,当且仅当 eq \f(4(x+1),7(y+2)) = eq \f(y+2,7(x+1)) 结合x+y=4,即x= eq \f(4,3) ,y= eq \f(8,3) 时,等号成立.
要使a≤ eq \f(x2,x+1) + eq \f(y2,y+2) 恒成立, 只需满足a≤( eq \f(x2,x+1) + eq \f(y2,y+2) )min即可,
故a≤ eq \f(16,7) .
【练5】 (多选)(2022·新高考Ⅱ卷)若x,y满足x2+y2-xy=1,则( )
A.x+y≤1
B.x+y≥-2
C.x2+y2≤2
D.x2+y2≥1
BC 解析:因为ab≤ eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a+b,2)))
eq \s\up12(2) ≤ eq \f(a2+b2,2) (a,b∈R),由x2+y2-xy=1 可变形为(x+y)2-1=3xy≤3 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(x+y,2)))
eq \s\up12(2) ,解得-2≤x+y≤2,当且仅当x=y=-1 时,x+y=-2,当且仅当x=y=1 时,x+y=2,所以A错误,B正确;
由x2+y2-xy=1 可变形为(x2+y2)-1=xy≤ eq \f(x2+y2,2) ,解得x2+y2≤2,当且仅当x=y=±1 时等号成立,所以C正确;因为x2+y2-xy=1 变形可得 eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(y,2)))
eq \s\up12(2) + eq \f(3,4) y2=1,设x- eq \f(y,2) =cos θ, eq \f(\r(3),2) y=sin θ,所以x=cos θ+ eq \f(1,\r(3)) sin θ,y= eq \f(2,\r(3)) sin θ,因此x2+y2=cos2θ+ eq \f(5,3) sin2θ+ eq \f(2,\r(3)) sinθcos θ=1+ eq \f(1,\r(3)) sin 2θ- eq \f(1,3) cos 2θ+ eq \f(1,3) = eq \f(4,3) + eq \f(2,3) sin eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2θ-\f(π,6))) ∈ eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(\f(2,3),2)) ,所以当x= eq \f(\r(3),3) ,y=- eq \f(\r(3),3) 时满足等式,但是x2+y2≥1 不成立,所以D错误.故选BC.
【例6】 某厂家拟在2025年举行促销活动,经调查测算,该产品的年销售量(即该厂的年产量)x万件与年促销费用m万元(m≥0)满足x=3- eq \f(k,m+1) (k为常数),如果不搞促销活动,则该产品的年销售量只能是1万件.已知2024年生产该产品的固定投入为8万元.每生产1万件该产品需要再投入16万元,厂家将每件产品的销售价格定为每件产品年平均成本的1.5倍(产品成本包括固定投入和再投入两部分资金).
(1)将2025年该产品的利润y万元表示为年促销费用m万元的函数;
(2)该厂家2025年的促销费用投入多少万元时,厂家的利润最大,最大值是多少?
解:(1)由已知,当m=0时,x=1(万件),所以1=3-k,所以k=2,所以x=3- eq \f(2,m+1) .由已知,每件
产品的销售价格为1.5× eq \f(8+16x,x) (元),所以2023年的利润y=1.5x· eq \f(8+16x,x) -8-16x-m=-[ eq \f(16,m+1) +(m+1)]+29(m≥0).
(2)因为当m≥0时, eq \f(16,m+1) +(m+1)≥2 eq \r(16) =8,所以y≤-8+29=21,当且仅当 eq \f(16,m+1) =m+1,即m=3(万元)时,ymax=21(万元).
所以该厂家2025年的促销费用投入3万元时,厂家的利润最大为21万元.
【练6】 某社区计划在一块空地上种植花卉,已知这块空地是面积为1 800 m2的矩形ABCD,为了方便居民观赏,在这块空地中间修了如图所示的三条宽度为2 m的人行通道,则种植花卉区域的面积的最大值是( )
A.1 208 m2
B.1 448 m2
C.1 568 m2
D.1 698 m2
C 解析:设|AB|=x m(x>0),
则种植花卉区域的面积S=(x-4)( eq \f(1 800,x) -2)=-2x- eq \f(7 200,x) +1 808.
因为x>0,所以2x+ eq \f(7 200,x) ≥2 eq \r(14 400) =240,当且仅当x=60时,等号成立,
则S≤-240+1 808=1 568,即当|AB|=60 m,
|BC|=30 m时,
种植花卉区域的面积取得最大值,最大值是1 568 m2.故选C.
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