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第一章 预备知识
数学·必修第一册
[网络构建]
[归纳提升]
集合的基本概念
与集合中的元素有关的问题的求解策略
(1)确定集合的元素是什么,即集合是数集、点集还是其他集合.
(2)看这些元素满足什么限制条件.
(3)根据限制条件列式求参数的值或确定集合中元素的个数时,要注意检验集合是否满足元素的互异性.
[例1] (1)设集合A={1,2,4},集合B={x|x=a+b,a∈A,b∈A},则集合B中元素的个数是( )
A.4 B.5 C.6 D.7
[解析] ∵a∈A,b∈A,x=a+b,所以x=2,3,4,5,6,8,∴B中有6个元素.
[答案] C
(2)已知集合A={0,1,2},则集合B={x-y|x∈A,y∈A}中元素的个数是( )
A.1
B.3 C.5
D.9
[解析] 当x=0,y=0时,x-y=0;当x=0,y=1时,x-y=-1;当x=0,y=2时,x-y=-2;当x=1,y=0时,x-y=1;当x=1,y=1时,x-y=0;当x=1,y=2时,x-y=-1;当x=2,y=0时,x-y=2;当x=2,y=1时,x-y=1;当x=2,y=2时,x-y=0.根据集合中元素的互异性知,B中元素有0,-1,-2,1,2,共5个.
[答案] C
[变式训练]
1.(1)设集合A={x|x2-3x+2=0},则满足A∪B={0,1,2}的集合B的个数是( )
A.1 B.3 C.4
D.6
解析:C [易知A={1,2},又A∪B=(0,1,2},所以集合B可以是:{0},{0,1},{0,2},{0,1,2}.]
(2)已知集合M={1,m+2,m2+4},且5∈M,则m的值为 ________ .
解析:当m+2=5时,m=3,M={1,5,13),符合题意;
当m2+4=5时,m=1或m=-1,若m=1,则M={1,3,5},符合题意;若m=-1,则m+2=1,不满足元素的互异性,故m=3或1.
答案:3或1
集合的基本关系
集合与集合之间的关系是包含和相等的关系,判断两集合之间的关系,可从元素特征入手,并注意代表元素.
[例2] (1)已知集合A={x|x2-3x+2=0,x∈R},B={x|0<x<5,x∈N},则满足条件A⊆C⊆B的集合C的个数为( )
A.1 B.2 C.3
D.4
[解析] 用列举法表示集合A,B,根据集合关系求出集合C的个数.由x2-3x+2=0得x=1或x=2,∴A={1,2}.由题意知B={1,2,3,4},∴满足条件的C可为{1,2},{1,2,3},{1,2,4},{1,2,3,4},共4个.
[答案] D
(2)设A={1,4,2x},若B={1,x2},若B⊆A,则x= ________ .
[解析] 由B⊆A,则x2=4或x2=2x.当x2=4时,x=±2,但x=2时,2x=4,这与集合元素的互异性相矛盾;当x2=2x时,x=0或x=2(舍),
综上所述,x=-2或x=0.
[答案] 0或-2
(3)已知集合A={x|-2≤x≤7},B={x|m+1<x<2m-1},若B⊆A,则实数m的取值范围是 ________ .
[解析] 当B=∅时,有m+1≥2m-1,则m≤2.
当B≠∅时,若B⊆A,如图.
则eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m+1≥-2,,2m-1≤7,,m+1<2m-1,))解得2<m≤4.
综上,m的取值范围为(-∞,4].
[答案] (-∞,4]
[变式训练]
2.已知集合A={2,3},B={x|mx-6=0},若B⊆A,则实数m等于( )
A.3
B.2
C.2或3
D.0或2或3
解析:D [当m=0时,方程mx-6=0无解,B=∅,满足B⊆A;当m≠0时,B=eq \f(6,m),因为B⊆A,所以eq \f(6,m)=2或eq \f(6,m)=3,解得m=3或m=2.]
集合的基本运算
集合的基本运算是指集合间的交、并、补这三种常见的运算,在运算过程中往往由于运算能力差或考虑不全面而出现错误,不等式解集之间的包含关系通常用数轴法,而用列举法表示的集合运算常用维恩图法,运算时特别注意对∅的讨论,不要遗漏.
[例3] (1)设集合A={1,2,4},B={x|x2-4x+m=0}.若A∩B={1},则B=( )
A.{1,-3}
B.{1,0}
C.{1,3}
D.{1,5}
[解析] 由A∩B={1},得1∈B,
所以m=3,B={1,3}.
[答案] C
(2)若集合A={x|-2<x<1),B={x|x<-1,或x>3),则A∩B=( )
A.{x|-2<x<-1}
B.{x-2<x<3}
C.{x|-1<x<1}
D.{x|1<x<3}
[解析] A∩B={x|-2<x<-1}.
[答案] A
(3)已知集合A={x|2≤x<7},B={x|3<x<10},C={x|x<a}.
①求A∪B,(∁RA)∩B;
②若A∩C≠∅,求a的取值范围.
[解] ①因为A={x|2≤x<7},
B={x|3<x<10},
所以A∪B={x|2≤x<10}.
因为A={x|2≤x<7},
所以∁RA={x|x<2,或x≥7},
则(∁RA)∩B={x|7≤x<10}.
②因为A={x|2≤x<7},C={x|x<a},
且A∩C≠∅,
所以a>2,
所以a的取值范围是{a|a>2}.
3.(1)已知集合A={1,2,3,4},B={y|y=3x-2,x∈A},则A∩B=( )
A.{1}
B.{4} C.{1,3}
D.{1,4}
解析:D [由题意得,B={1,4,7,10},
所以A∩B={1,4}.]
(2)已知全集U={1,2,3,4,5},集合A={1,3,4},集合B={2,4},则(∁UA)∪B=( )
A.{2,4,5}
B.{1,3,4}
C.{1,2,4}
D.{2,3,4,5}
解析:A [由题意知∁UA={2,5},
所以(∁UA)∪B={2,4,5}.]
全称量词命题与存在量词命题
已知含量词的命题真假求参数的取值范围,实质上是对命题意义的考查.解决此类问题,一定要辨清参数,恰当选取主元,合理确定解题思路.解决此类问题的关键是根据含量词命题的真假转化为相关数学知识,利用函数、方程、不等式等知识求解参数的取值范围,解题过程中要注意变量取值范围的限制.
[例4] 判断下列命题是全称量词命题还是存在量词命题,判断真假,并写出它们的否定:
(1)空集是任何一个非空集合的真子集;
(2)∀x∈R,4x2>2x-1+3x2;
(3)∃x∈{-2,-1,0,1,2},|x-2|<2;
(4)∀a,b∈R,方程ax+b=0恰有一解.
[解] (1)该命题是全称量词命题,是真命题.该命题的否定:存在一个非空集合,空集不是该集合的真子集.
(2)该命题是全称量词命题,是假命题.
因为4x2-(2x-1+3x2)=x2-2x+1
=(x-1)2≥0,
所以当x=1时,4x2=2x-1+3x2.
该命题的否定:∃x∈R,4x2≤2x-1+3x2.
(3)该命题是存在量词命题,是真命题.
因为当x=1时,|x-2|=1<2.
该命题的否定:∀x∈{-2,-1,0,1,2},
|x-2|≥2.
(4)该命题是全称量词命题,是假命题.
当a≠0时,方程ax+b=0才恰有一解.
该命题的否定:∃a,b∈R,方程ax+b=0无解或至少有两解.
[变式训练]
4.(1)命题“存在一个无理数,它的平方是有理数”的否定是( )
A.任意一个有理数,它的平方是有理数
B.任意一个无理数,它的平方不是有理数
C.存在一个有理数,它的平方是有理数
D.存在一个无理数,它的平方不是有理数
解析:B [量词“存在”否定后为“任意”,结论“它的平方是有理数”否定后为“它的平方不是有理数”.]
(2)(多选)在下列命题中,真命题有( )
A.∃x∈R,x2+x+3=0
B.∀x∈Q,eq \f(1,3)x2+eq \f(1,2)x+1是有理数
C.∃x,y∈Z,使3x-2y=10
D.∀x∈R,x2>|x|
解析:BC [A中,x2+x+3=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(1,2)))2+eq \f(11,4)>0,故A是假命题;B中,x∈Q,eq \f(1,3)x2+eq \f(1,2)x+1一定是有理数,故B是真命题;C中,x=4,y=1时,3x-2y=10成立,故C是真命题;对于D,当x=0时,左边=右边=0,故D为假命题.]
充分条件与必要条件
充要条件是数学的重要概念之一,在数学中有着非常广泛的应用,在高考中有着较高的考查频率,其特点是以高中数学的其他知识为载体考查充分条件、必要条件、充要条件的判断.
[例5] 若a,b都是实数,试从①ab=0;②a+b=0;③a(a2+b2)=0;④ab>0中选出满足下列条件的式子,用序号填空:
(1)使a,b都为0的必要条件是 ________ ;
(2)使a,b都不为0的充分条件是 ________ ;
(3)使a,b至少有一个为0的充要条件是 ________ .
[解析] ①ab=0⇔a=0或b=0,即a,b至少有一个为0;
②a+b=0⇔a,b互为相反数,则a,b可能均为0,也可能为一正数一负数;
③a(a2+b2)=0⇔a=0,b为任意实数;
④ab>0⇔eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a>0,,b>0))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a<0,,b<0,))即a,b同为正数或同为负数.
综上可知:(1)使a,b都为0的必要条件是①②③.
(2)使a,b都不为0的充分条件是④.
(3)使a,b至少有一个为0的充要条件是①.
[答案] (1)①②③ (2)④ (3)①
[变式训练]
5.已知p:|x-3|≤2,q:(x-m+1)(x-m-1)≤0,若命题p的否定是命题q的否定的充分不必要条件,求实数m的取值范围.
解:由题意知p:-2≤x-3≤2,
即1≤x≤5,∴命题p的否定:x<1或x>5.
∵命题q:m-1≤x≤m+1,
∴命题q的否定:x<m-1或x>m+1.
又∴命题p的否定是命题q的否定的充分不必要条件,
∴eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m-1>1,,m+1≤5))或eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(m-1≥1,,m+1<5,))∴2≤m≤4.
∴实数m的取值范围是[2,4].
不等式的性质及应用
不等关系与不等式的解法是高考重点考查的内容之一,在试题中多以选择题或填空题的形式考查,有时也渗透到解答题中,主要考查不等式的性质及运用.
[例6] (1)如果a,b,c满足c<b<a且ac<0,那么下列选项中不一定成立的是( )
A.ab>ac B.c(b-a)>0
C.cb2<ab2
D.ac(a-c)<0
[解析] 因为c<a.且ac<0,所以c<0,a>0.
A成立,因为c<b,所以ac<ab,即ab>ac.
B成立,因为b<a,b-a<0,
所以c(b-a)>0.
C不一定成立,当b=0时,cb2<ab2不成立.
D成立,因为c<a,所以a-c>0,
所以ac(a-c)<0.
[答案] C
(2)对于实数a,b,c,下列命题中正确的是( )
A.若a>b,则a2>b2
B.若a>b(ab≠0),则eq \f(1,a)<eq \f(1,b)
C.若a>b,则ac2>bc2
D.若ac2>bc2,则a>b
[解析] 对于A,由a>b,取a=2,b=-3,则a2>b2不成立,故A错误;对于B,由a>b(ab≠0),取a=1,b=-1,则eq \f(1,a)<eq \f(1,b)不成立,故B错误;对于C,当c=0时,ac2>bc2不成立,故C错误;对于D,因为ac2>bc2,所以c2>0,故ac2×eq \f(1,c2)>bc2×eq \f(1,c2),则a>b,故D正确.
[答案] D
(3)已知2<a<3,-2<b<-1,求ab,eq \f(b2,a)的取值范围.
[解] 因为-2<b<-1,所以1<-b<2.
又因为2<a<3,所以2<-ab<6,
所以-6<ab<-2.
因为-2<b<-1,所以1<b2<4.
因为2<a<3,所以eq \f(1,3)<eq \f(1,a)<eq \f(1,2),
所以eq \f(1,3)<eq \f(b2,a)<2.
所以ab的取值范围为-6<ab<-2,eq \f(b2,a)的取值范围为eq \f(1,3)<eq \f(b2,a)<2.
[变式训练]
6.(1)(多选)下列命题正确的有( )
A.若a>1,则eq \f(1,a)<1
B.若a+c>b,则eq \f(1,a)<eq \f(1,b)
C.对任意实数a,都有a2≥a
D.若ac2>bc2,则a>b
解析:AD [因为a>1,所以eq \f(1,a)<1,所以A正确;若a+c>b,可令a=1,c=1,b=-1,则有eq \f(1,a)>eq \f(1,b),故B错误;对于C,可取a=eq \f(1,2),则a2<a,故C错误;因为ac2>bc2,所以c2>0,所以a>b,故D正确.]
(2)已知a>0,b>0,且a≠b,比较eq \f(a2,b)+eq \f(b2,a)与a+b的大小.
解:eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a2,b)+\f(b2,a)))-(a+b)=eq \f(a2,b)-b+eq \f(b2,a)-a
=eq \f(a2-b2,b)+eq \f(b2-a2,a)
=(a2-b2)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,b)-\f(1,a)))
=(a2-b2)eq \f(a-b,ab)=eq \f(a-b2a+b,ab),
因为a>0,b>0,且a≠b,
所以(a-b)2>0,a+b>0,ab>0,
所以eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(a2,b)+\f(b2,a)))-(a+b)>0,
即eq \f(a2,b)+eq \f(b2,a)>a+b.
解一元二次不等式
一元二次方程的解集及其根与系数的关系,虽在高考中不直接考查,但它是解决某些数学问题的基础,常在解题过程中用到,主要涉及到一元二次方程的解法及其根与系数的关系的应用.
[例7] 解下列关于x的不等式:
(1)-1<x2+2x-1≤2;
(2)m2x2+2mx-3<0.
[解] (1)原不等式等价于eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2+2x-1>-1,,x2+2x-1≤2,))
即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2+2x>0, ①,x2+2x-3≤0, ②))
由①得x(x+2)>0,
所以x<-2或x>0;
由②得(x+3)(x-1)≤0,
所以-3≤x≤1.
将①②的解集在数轴上表示出来,如图.
求其交集得原不等式的解集为{x|-3≤x<-2,或0<x≤1}.
(2)当m=0时,-3<0恒成立,解集为R.
当m≠0时,二次项系数m2>0,Δ=16m2>0,不等式化为(mx+3)(mx-1)<0.
当m>0时,解集为eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(x|-\f(3,m)<x<\f(1,m)));
当m<0时,解集为eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(x|\f(1,m)<x<-\f(3,m))).
[变式训练]
7.解下列不等式(组):
(1)eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(xx+2>0,,x2<1;))
(2)6-2x≤x2-3x<18.
解:(1)原不等式组可化为eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x<-2或x>0,,-1<x<1,))
即0<x<1,所以原不等式组的解集为{x|0<x<1}.
(2)原不等式等价于eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(6-2x≤x2-3x,,x2-3x<18,))
即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x2-x-6≥0,,x2-3x-18<0,))
因式分解,得eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x-3x+2≥0,,x-6x+3<0,))
所以eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x≤-2,或x≥3,,-3<x<6,))
所以-3<x≤-2或3≤x<6.
所以不等式的解集为{x|-3<x≤-2,或3≤x<6}.
利用基本不等式求最值
基本不等式:eq \r(ab)≤eq \f(a+b,2)(a>0,b>0)是每年高考的热点,主要考查命题判断、不等式证明以及求最值问题,特别是求最值问题往往与实际问题相结合,同时在基本不等式的使用条件上设置一些问题,实际上是考查学生恒等变形的技巧,另外,基本不等式的和与积的转化在高考中也经常出现.
[例8] (1)设a>0,b>0,2a+b=1,则eq \f(1,a)+eq \f(2,b)的最小值为 ________ .
(2)已知a,b都是正数,且a2+eq \f(b2,2)=1,则y=aeq \r(1+b2)的最大值为 ________ .
[解析] (1)∵a>0,b>0,且2a+b=1,
∴eq \f(1,a)+eq \f(2,b)=eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,a)+\f(2,b)))(2a+b)
=4+eq \f(b,a)+eq \f(4a,b)≥4+2eq \r(\f(b,a)·\f(4a,b))=8,
当且仅当eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2a+b=1,,\f(b,a)=\f(4a,b),)),即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a=\f(1,4),,b=\f(1,2)))时等号成立.
∴eq \f(1,a)+eq \f(2,b)的最小值为8.
(2)∵a2+eq \f(b2,2)=1,∴2a2+b2=2.
又∵a是正数,b也是正数,
∴y=aeq \r(1+b2)=eq \r(a2·1+b2)
=eq \f(1,\r(2))·eq \r(2a21+b2)≤eq \f(1,\r(2))·eq \f(2a2+1+b2,2)
=eq \f(3,4)
eq \r(2),
当且仅当eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(2a2=1+b2,,a2+\f(b2,2)=1,,a>0,b>0,))即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(a=\f(\r(3),2),,b=\f(\r(2),2)))时取等号,
∴y=aeq \r(1+b2)有最大值eq \f(3,4)
eq \r(2).
[答案](1)8 (2)eq \f(3,4)
eq \r(2)
[变式训练]
8.若x>0,y>0,且x+2y=5,求eq \f(9,x)+eq \f(2,y)的最小值,并求出取得最小值时x,y的值.
解:因为x>0,y>0,且x+2y=5,
所以eq \f(9,x)+eq \f(2,y)=eq \f(1,5)(x+2y)eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(9,x)+\f(2,y)))
=eq \f(1,5)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(13+\f(18y,x)+\f(2x,y)))≥eq \f(1,5)
eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(13+2\r(\f(18y,x)·\f(2x,y))))=5,
当且仅当eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x+2y=5,,\f(18y,x)=\f(2x,y),))即eq \b\lc\{\rc\ (\a\vs4\al\co1(x=3,,y=1,))时等号成立.
所以eq \f(9,x)+eq \f(2,y)的最小值为5,此时x=3,y=1.
恒成立问题
对于不等式恒成立求参数范围问题常见类型及解法有以下几种
(1)变更主元法
根据实际情况的需要确定合适的主元,一般知道取值范围的变量要看作主元.
(2)分离参数法
若m<y恒成立,则m<y的最小值.
若m>y恒成立,则m>y的最大值.
(3)数形结合法
利用不等式与函数的关系将恒成立问题通过函数图象直观化.
[例9] 设函数y=mx2-mx-1,(1≤x≤3),若y<-m+5恒成立,求m的取值范围.
[解] y<-m+5恒成立.
即m(x2-x+1)-6<0恒成立,
∵x2-x+1=(x-eq \f(1,2))2+eq \f(3,4)>0,
又m(x2-x+1)-6<0,
∴m<eq \f(6,x2-x+1).
∵y=eq \f(6,x2-x+1)=eq \f(6,\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x-\f(1,2)))2+\f(3,4))在1≤x≤3上的最小值为eq \f(6,7),∴只需m<eq \f(6,7)即可.
∴m的取值范围为eq \b\lc\{\rc\}(\a\vs4\al\co1(m|m<\f(6,7))).
[变式训练]
9.设x>0,y>0,不等式eq \f(1,x)+eq \f(1,y)+eq \f(m,x+y)≥0恒成立,则实数m的最小值是( )
A.-2 B.2 C.1 D.-4
解析:D [∵x>0,y>0,不等式eq \f(1,x)+eq \f(1,y)+eq \f(m,x+y)≥0恒成立,即m≥-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,x)+\f(1,y)))(x+y)恒成立,∴只需m≥eq \b\lc\[\rc\](\a\vs4\al\co1(-\b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,x)+\f(1,y)))x+y))max,∵eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,x)+\f(1,y)))(x+y)=2+eq \f(x,y)+eq \f(y,x)≥2+2eq \r(\f(x,y)·\f(y,x))=4,当且仅当x=y时取等号.
所以-eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(\f(1,x)+\f(1,y)))(x+y)≤-4.∴实数m≥-4,
∴实数m的最小值为-4.]
构建不等式模型解决实际问题
数学建模是应用数学实际问题的基本手段,在本章中体现在:(1)基本不等式的实际应用;(2)一元二次不等式的实际应用.
[例10]
某水产养殖场拟造一个平面图为矩形且面积为160平方米的水产养殖网箱,为了避免混养,箱中要安装一些筛网,如平面图所示.如果网箱四周网衣(图中实线部分)建造单价为每米112元,筛网(图中虚线部分)的建造单价为每米96元,网箱底面建造单价为每平方米100元,网衣及筛网的厚度忽略不计.把建造网箱的总造价y(元)表示为网箱的长x(如图所示,单位为米)的函数,并求出最低造价.
[解] y=112eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(2x+\f(160,x)×2))+96eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(160,x)×3))+100×160=320×eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(x+\f(256,x)))+16 000≥26 240.
此时,x=eq \f(256,x),即x=16时,取得最小值.
最小值为26 240元.故最低造价为26 240元.
[变式训练]
10.某商品的成本价80元/件,售价100元/件,每天售出100件,若售价降低x成(1成=10%),售出商品的数量就增加eq \f(8,5)x成,要求售价不能低于成本价.
(1)设该商店一天的营业额为y,试求出y与x之间的函数关系式y=f(x),并写出定义域;
(2)若再要求该商品一天营业额至少10 260元,求x的取值范围.
解:(1)依题意y=100eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(x,10)))·100eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1+\f(8,50)x)),
又售价不能低于成本价,
所以100eq \b\lc\(\rc\)(\a\vs4\al\co1(1-\f(x,10)))-80≥0,解得x≤2,
所以y=f(x)=20(10-x)(50+8x)(0≤x≤2).
(2)20(10-x)(50+8x)≥10 260,
化简得:8x2-30x+13≤0,解得eq \f(1,2)≤x≤eq \f(13,4).
又x∈[0,2],所以x的取值范围为eq \f(1,2)≤x≤2.
$$