内容正文:
专题07 拓展:破解不等式问题的四大秒杀技:基本不等式链、万能K法、轮换对称法、换元法
(题型突破·举一反三)
题型01 基本不等式链的应用 1
题型02 万能K法 4
题型03 轮换对称法的应用 5
题型04 裂项换元法的应用 7
题型05 齐次比值换元法的应用 8
题型06 双换元法的应用 10
题型07 均值换元法的应用 11
▌题型01 基本不等式链的应用
基本不等式链:对于任意的,都有, 当且仅当 时, 等号成立.
其中 分别为 平方平均数, 算术平均数, 几何平均数, 调和平均数.可利用上述不等式链在各平均数间进行放缩、转化.
【典例1-1】(多选)(25-26高三上·四川眉山·期中)对于,,下列不等式中正确的是( )
A. B.
C. D.
【答案】ACD
【详解】选项A:由不等式链得,
所以,当且仅当时取等号,故A正确;
选项B:因为,,所以,即,
当且仅当时取等号,故B错误;
选项C:因为,,所以,即,
当且仅当时取等号,故C正确;
选项D:由不等式链得,当且仅当时取等号,所以,故D正确.
故选:ACD
【典例1-2】设,则的最大值为 .
【答案】
【详解】由不等式链得两边同时开方即得:(且当且仅当时取“=”),
从而有(当且仅当,即时,“=”成立)
【变式1-1】已知a,b为互不相等的正实数,则下列四个式子中最大的是( )
A. B.+
C. D.
【答案】B
【详解】因为a,b为互不相等的正实数,所以+>,<=<,< =<,所以最大的是+.故选B.
【变式1-2】 (多选)(2025·广西北海模拟)设正实数a,b满足a+b=1,则( )
A.有最大值 B.+有最小值3
C.a2+b2有最小值 D.+有最大值
【答案】ACD
【详解】对于A,由均值不等式可得=,当且仅当a=b=时,等号成立,故A正确;对于B,由==,得+,当且仅当a+2b=2a+b,即a=b=时等号成立,故B错误;对于C,由 =,得a2+b2,当且仅当a=b=时等号成立,故C正确;对于D,由≤ =,得+,当且仅当a=b=时等号成立,故D正确.故选ACD.
【变式1-3】(多选)(24-25高二下·辽宁·阶段练习) 已知且,则下列选项正确的是( )
A.的最大值是 B.的最大值是
C.的最小值是 D.的最小值是
【答案】ABD
【详解】对于A项,因为且,所以,当且仅当时等号成立,即的最大值是,故A项正确;
对于B项,因为且,所以,即,当且仅当时等号成立,故B项正确;
对于C项,因为,当且仅当时等号成立,所以的最小值是,故C项错误;
对于D项,令所以
所以,
因为,所以,
因为,所以,
当且仅当,即时等号成立,故D项正确.
故选:ABD.
▌题型02 万能K法
对给定关于的一个二次式,要求另一个代数式的值或取值范围,可以直接令此代数式等于, 然后用表示或表示,代入原式,得到一个关于的一元二次方程,然后利用判别式大于等于零,得到一个不等式,解出的范围即可,此方法称之为万能法.
【典例2】若实数满足,则的最大值是( )
A.1 B. C. D.2
【答案】B
【详解】方法1(万能法): 令, 则 , 代入得:,
整理可得:,即 . ,得:,
故.
方法2: , .
, .解得:.
故可知的最大值是.故答案为.
【变式2-1】若存在正实数,使得,则实数的最大值为( )
A. B. C.1 D.2
【答案】A
【详解】, ,
, ,
,
解得:①
,
②
由①②可得:
综上:的最大值是.故答案为.
【变式2-2】已知实数满足,,则的最大值是 .
【答案】.
【详解】方法 1:令时,.
为实数, ,即,解得:.
方法2:,因为,
所以 , 解得:, 所以的最大值为, 故答案为:.
【变式2-3】已知实数满足,则的最大值是 .
【答案】
【详解】令,则,代入原式化简得,
因为存在实数,则,即,
化简得:,解得:,
故的最大值是,故选:C.
▌题型03 轮换对称法的应用
1.轮换对称原理
如果多个元素地位、作用一致,改变位置也不影响逻辑烦序和结果,则称其为轮换对称.当其数值相等时,达到最值状态.
轮换对称法求最值的三个步骤如下:
(1)确认对称:“平方和式”与“和式”的系数必须成比例,不管乘积项.
(2)取等解方程.
(3)确认最值.
另外,当 3 个元素甚至多个元素一起出现时,把主元素当研究对象,而其他元素用同构降级研究.
2.轮换对称法确定最值类型
即使能用轮换对称,很多时侯也只能得到一个最值,可能是最大值也可能是最小值,那么另一个最值在什么时候取得呢?其实如果仔细总结经典的双元不等式的题目就会发现,很多时侯两个元差距最大时会得到另一个最值.例如两非负数a+b=4,那么当 a=4, b=0时也许会取得另一个想要的最值.总之,用轮换对称的思想来解题是一种可行的方法.
3.轮换对称法的两种类型
(1)直接轮换:若所给等式字母前系数相等,所求式子中字母前的系数也相等,则直接令这几个字母相等,即可求得所求式子的一个最值.
(2)换元轮换:若所给等式或所求式子中字母前的系数不对应相等,但换元后可转化为系数对应相等的形式,则可先换元,再用直接轮换法求解.
【典例3-1】 (直接轮换)(25-26高二下·湖南长沙·期中)已知,,,则的最小值是________.
【答案】4
【详解】因为,,,所以,
当且仅当时取等号.
秒解(轮换对称法):通过观察不难发现,所给等式及目标函数中的是轮换对称的,当时理应取得想要的结果,此时的最小值是2+2=4.
【典例3-2】(换元轮换)(2026·河北沧州·二模)已知,,且,则的最小值为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【详解】.
因为,当且仅当,即时,等号成立,
所以,即,当且仅当时,等号成立.
秒解:令,问题转化为的最小值,显然a和t轮换对称,故令,所以,即最小值为.
【变式3-1】(25-26高一下·贵州毕节·期中)若正实数、满足,且恒成立,则实数的取值范围是( )
A. B. C. D.
【答案】B
【分析】利用乘“1”法和基本不等式可得最小值,即可得与有关不等式,解出即可得.
【详解】由,则,
当且仅当,即,时,等号成立,
故,即,解得,
即实数的取值范围是.
秒解:由,可设,则,,
符合x与t对称轮换的特征,显然当时,
故,即,解得,
即实数的取值范围是.
【变式3-2】已知实数 满足 ,则 的最小值为
【答案】27
【详解】三元完全轮换对称结构,最值在 时取得.
令 ,得 ,即 .
代入得:.
故原式最小值为 .
【变式3-3】已知正实数 满足 ,则 的最大值为
【答案】24
【详解】化简目标式:.
式子为轮换对称结构, 最大值在 时取得.
令 ,得 .
原式最大值为 .
▌题型04 裂项换元法的应用
裂项换元法主要适用于分式型代数式最值问题,核心思想是将复杂分式通过拆项、裂项变形,分离出常数和可利用均值不等式的结构,再通过换元简化变量结构,消除分母复杂多项式,转化为“积定和最小、和定积最大”的基础最值模型.该方法重点解决分子、分母均为一次或二次多项式的分式最值问题.
【典例4】若,则y=的最小值为()
A.1 B.2 C.3 D.4
【答案】B
【详解】裂项得.
令,则,当即取等号.
【变式4-1】已知,则的最小值为________.
【答案】.
【详解】裂项化简:,令.由均值不等式,最小值为.
【变式4-2】已知,则函数的最小值为 .
【答案】
【详解】令,则有,故所求最小值为 ,仅当 时取等号.
▌题型05 齐次比值换元法的应用
1.齐次比值换元法
针对齐次式整体设元,将多变量问题转化为单变量问题,多用于齐次不等式、圆锥曲线斜率类问题.
2.诠释齐次比值换元法
优势:专门破解齐次式最值难点,完美消去双变量,降维为一元函数,适配高考高频的分式齐次最值题型,思路通用、无复杂变形.
局限性:非齐次式无法直接使用,需先构造齐次结构;变量含0时需单独验证,避免分母为0.
适用场景:二次齐次分式最值、条件和定、积定的齐次式求值问题.
【典例5】已知正实数满足,则的最大值为.
【答案】
【详解】因为
令,则有
从而有,则有
解不等式得或.
根据的形态知,该函数有上界,则有,
也即所求最大值为.
【变式5-1】已知为正实数,则的最大值为.
【答案】
【详解】令,则有
,当且仅当,即时取等,所求最大值为.
【变式5-2】已知正实数满足,则的最小值为_______.
【答案】
【详解】原式非齐次,利用进行二次齐次构造:
,令,代入化简:
由均值不等式.
当且仅当时取等,最小值为.
▌题型06 双换元法的应用
双换元法就是换两次元,从而将复杂的式子简单化.求解步骤如下:
1.观察结构:找出式子中两个难以化简的核心复杂单元;
2. 双元设换:令两个复杂单元分别为,确定取值范围;
3. 转化约束:将题干条件、目标式转化为关于的关系式;
4. 化简求解:结合不等式、函数性质、几何意义求解最值.
【典例6】(24-25高一上·广西桂林·期中)已知正实数满足且,则的最小值为
【答案】
【详解】设,则,
当且仅当且,即,时等号成立.
【变式6-1】(多选)(25-26高三上·河北邢台·月考)记为,两数中较大的数,已知,,当,变化时,的值可能为( )
A.12 B.16 C.20 D.26
【答案】BCD
【详解】因为,所以,,所以.
令得,
由,,得,,则.
因为,,当且仅当,时,等号成立,
所以,当且仅当时,等号成立.
又,,同时成立,所以,则,
且,时,.
故选:BCD.
【变式6-2】已知,求的最大值为________.
【答案】
【详解】双换元,令(),则,。
由,得,最大值为.
【变式6-3】已知,则的最大值为________。
【答案】
【详解】双换元,令,得,
由,得,最大值为.
▌题型07 均值换元法的应用
1.二元均值换元:若两个实数满足(和为定值),可设:
其中为增量参数,由变量取值范围确定的定义域.此换元可实现固化为定值,转化为关于的二次式,完美适配乘积型最值求解.
2.三元均值换元:若三个实数满足,可设:
针对轮换对称式,该换元方式可大幅简化高次、轮换型代数式的展开运算.
【典例7】已知,则的最小值为 .
【答案】18
【详解】由,均值为4,设().
代入化简:
因为,故当时,最小值为.
取等条件:.
【变式7-1】已知实数满足,则的最小值为
【答案】3
【详解】由三元和定均值为2,设()
代入化简:
因为平方项恒非负,当且仅当时,式子取得最小值
取等条件:.
【变式7-2】已知x,且,则的最小值为
【答案】.
【详解】由,设.
由得
代入目标式:
,
该二次函数对称轴为,开口向上.
当时,最小值为
1 / 2
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专题07 拓展:破解不等式问题的四大秒杀技:基本不等式链、万能K法、轮换对称法、换元法
(题型突破·举一反三)
题型01 基本不等式链的应用 1
题型02 万能K法 3
题型03 轮换对称法的应用 3
题型04 裂项换元法的应用 5
题型05 齐次比值换元法的应用 6
题型06 双换元法的应用 7
题型07 均值换元法的应用 7
▌题型01 基本不等式链的应用
基本不等式链:对于任意的,都有, 当且仅当 时, 等号成立.
其中 分别为 平方平均数, 算术平均数, 几何平均数, 调和平均数.可利用上述不等式链在各平均数间进行放缩、转化.
【典例1-1】(多选)(25-26高三上·四川眉山·期中)对于,,下列不等式中正确的是( )
A. B.
C. D.
【答案】ACD
【详解】选项A:由不等式链得,
所以,当且仅当时取等号,故A正确;
选项B:因为,,所以,即,
当且仅当时取等号,故B错误;
选项C:因为,,所以,即,
当且仅当时取等号,故C正确;
选项D:由不等式链得,当且仅当时取等号,所以,故D正确.
故选:ACD
【典例1-2】设,则的最大值为 .
【答案】
【详解】由不等式链得两边同时开方即得:(且当且仅当时取“=”),
从而有(当且仅当,即时,“=”成立)
【变式1-1】已知a,b为互不相等的正实数,则下列四个式子中最大的是( )
A. B.+
C. D.
【变式1-2】 (多选)(2025·广西北海模拟)设正实数a,b满足a+b=1,则( )
A.有最大值 B.+有最小值3
C.a2+b2有最小值 D.+有最大值
【变式1-3】(多选)(24-25高二下·辽宁·阶段练习) 已知且,则下列选项正确的是( )
A.的最大值是 B.的最大值是
C.的最小值是 D.的最小值是
▌题型02 万能K法
对给定关于的一个二次式,要求另一个代数式的值或取值范围,可以直接令此代数式等于, 然后用表示或表示,代入原式,得到一个关于的一元二次方程,然后利用判别式大于等于零,得到一个不等式,解出的范围即可,此方法称之为万能法.
【典例2】若实数满足,则的最大值是( )
A.1 B. C. D.2
【答案】B
【详解】方法1(万能法): 令, 则 , 代入得:,
整理可得:,即 . ,得:,
故.
方法2: , .
, .解得:.
故可知的最大值是.故答案为.
【变式2-1】若存在正实数,使得,则实数的最大值为( )
A. B. C.1 D.2
【变式2-2】已知实数满足,,则的最大值是 .
【变式2-3】已知实数满足,则的最大值是 .
▌题型03 轮换对称法的应用
1.轮换对称原理
如果多个元素地位、作用一致,改变位置也不影响逻辑烦序和结果,则称其为轮换对称.当其数值相等时,达到最值状态.
轮换对称法求最值的三个步骤如下:
(1)确认对称:“平方和式”与“和式”的系数必须成比例,不管乘积项.
(2)取等解方程.
(3)确认最值.
另外,当 3 个元素甚至多个元素一起出现时,把主元素当研究对象,而其他元素用同构降级研究.
2.轮换对称法确定最值类型
即使能用轮换对称,很多时侯也只能得到一个最值,可能是最大值也可能是最小值,那么另一个最值在什么时候取得呢?其实如果仔细总结经典的双元不等式的题目就会发现,很多时侯两个元差距最大时会得到另一个最值.例如两非负数a+b=4,那么当 a=4, b=0时也许会取得另一个想要的最值.总之,用轮换对称的思想来解题是一种可行的方法.
3.轮换对称法的两种类型
(1)直接轮换:若所给等式字母前系数相等,所求式子中字母前的系数也相等,则直接令这几个字母相等,即可求得所求式子的一个最值.
(2)换元轮换:若所给等式或所求式子中字母前的系数不对应相等,但换元后可转化为系数对应相等的形式,则可先换元,再用直接轮换法求解.
【典例3-1】 (直接轮换)(25-26高二下·湖南长沙·期中)已知,,,则的最小值是________.
【答案】4
【详解】因为,,,所以,
当且仅当时取等号.
秒解(轮换对称法):通过观察不难发现,所给等式及目标函数中的是轮换对称的,当时理应取得想要的结果,此时的最小值是2+2=4.
【典例3-2】(换元轮换)(2026·河北沧州·二模)已知,,且,则的最小值为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【详解】.
因为,当且仅当,即时,等号成立,
所以,即,当且仅当时,等号成立.
秒解:令,问题转化为的最小值,显然a和t轮换对称,故令,所以,即最小值为.
【变式3-1】(25-26高一下·贵州毕节·期中)若正实数、满足,且恒成立,则实数的取值范围是( )
A. B. C. D.
【变式3-2】已知实数 满足 ,则 的最小值为
【变式3-3】已知正实数 满足 ,则 的最大值为
▌题型04 裂项换元法的应用
裂项换元法主要适用于分式型代数式最值问题,核心思想是将复杂分式通过拆项、裂项变形,分离出常数和可利用均值不等式的结构,再通过换元简化变量结构,消除分母复杂多项式,转化为“积定和最小、和定积最大”的基础最值模型.该方法重点解决分子、分母均为一次或二次多项式的分式最值问题.
【典例4】若,则y=的最小值为()
A.1 B.2 C.3 D.4
【答案】B
【详解】裂项得.
令,则,当即取等号.
【变式4-1】已知,则的最小值为________.
【变式4-2】已知,则函数的最小值为 .
▌题型05 齐次比值换元法的应用
1.齐次比值换元法
针对齐次式整体设元,将多变量问题转化为单变量问题,多用于齐次不等式、圆锥曲线斜率类问题.
2.诠释齐次比值换元法
优势:专门破解齐次式最值难点,完美消去双变量,降维为一元函数,适配高考高频的分式齐次最值题型,思路通用、无复杂变形.
局限性:非齐次式无法直接使用,需先构造齐次结构;变量含0时需单独验证,避免分母为0.
适用场景:二次齐次分式最值、条件和定、积定的齐次式求值问题.
【典例5】已知正实数满足,则的最大值为.
【答案】
【详解】因为
令,则有
从而有,则有
解不等式得或.
根据的形态知,该函数有上界,则有,
也即所求最大值为.
【变式5-1】已知为正实数,则的最大值为.
.
【变式5-2】已知正实数满足,则的最小值为_______.
▌题型06 双换元法的应用
双换元法就是换两次元,从而将复杂的式子简单化.求解步骤如下:
1.观察结构:找出式子中两个难以化简的核心复杂单元;
2. 双元设换:令两个复杂单元分别为,确定取值范围;
3. 转化约束:将题干条件、目标式转化为关于的关系式;
4. 化简求解:结合不等式、函数性质、几何意义求解最值.
【典例6】(24-25高一上·广西桂林·期中)已知正实数满足且,则的最小值为
【答案】
【详解】设,则,
当且仅当且,即,时等号成立.
【变式6-1】(多选)(25-26高三上·河北邢台·月考)记为,两数中较大的数,已知,,当,变化时,的值可能为( )
A.12 B.16 C.20 D.26
【变式6-2】已知,求的最大值为________.
【变式6-3】已知,则的最大值为________。
▌题型07 均值换元法的应用
1.二元均值换元:若两个实数满足(和为定值),可设:
其中为增量参数,由变量取值范围确定的定义域.此换元可实现固化为定值,转化为关于的二次式,完美适配乘积型最值求解.
2.三元均值换元:若三个实数满足,可设:
针对轮换对称式,该换元方式可大幅简化高次、轮换型代数式的展开运算.
【典例7】已知,则的最小值为 .
【答案】18
【详解】由,均值为4,设().
代入化简:
因为,故当时,最小值为.
取等条件:.
【变式7-1】已知实数满足,则的最小值为
【变式7-2】已知x,且,则的最小值为
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(题型突破·举一反三)
▌题型01 基本不等式链的应用
【典例1-1】ACD
【详解】选项A:由不等式链得,
所以,当且仅当时取等号,故A正确;
选项B:因为,,所以,即,
当且仅当时取等号,故B错误;
选项C:因为,,所以,即,
当且仅当时取等号,故C正确;
选项D:由不等式链得,当且仅当时取等号,所以,故D正确.
故选:ACD
【典例1-2】
【详解】由不等式链得两边同时开方即得:(且当且仅当时取“=”),
从而有(当且仅当,即时,“=”成立)
【变式1-1】B
【详解】因为a,b为互不相等的正实数,所以+>,<=<,< =<,所以最大的是+.故选B.
【变式1-2】 ACD
【详解】对于A,由均值不等式可得=,当且仅当a=b=时,等号成立,故A正确;对于B,由==,得+,当且仅当a+2b=2a+b,即a=b=时等号成立,故B错误;对于C,由 =,得a2+b2,当且仅当a=b=时等号成立,故C正确;对于D,由≤ =,得+,当且仅当a=b=时等号成立,故D正确.故选ACD.
【变式1-3】(多选)(24-25高二下·辽宁·阶段练习) 已知且,则下列选项正确的是( )
A.的最大值是 B.的最大值是
C.的最小值是 D.的最小值是
【答案】ABD
【详解】对于A项,因为且,所以,当且仅当时等号成立,即的最大值是,故A项正确;
对于B项,因为且,所以,即,当且仅当时等号成立,故B项正确;
对于C项,因为,当且仅当时等号成立,所以的最小值是,故C项错误;
对于D项,令所以
所以,
因为,所以,
因为,所以,
当且仅当,即时等号成立,故D项正确.
故选:ABD.
▌题型02 万能K法
【典例2】B
【详解】方法1(万能法): 令, 则 , 代入得:,
整理可得:,即 . ,得:,
故.
方法2: , .
, .解得:.
故可知的最大值是.故答案为.
【变式2-1】A
【详解】, ,
, ,
,
解得:①
,
②
由①②可得:
综上:的最大值是.故答案为.
【变式2-2】.
【详解】方法 1:令时,.
为实数, ,即,解得:.
方法2:,因为,
所以 , 解得:, 所以的最大值为, 故答案为:.
【变式2-3】
【详解】令,则,代入原式化简得,
因为存在实数,则,即,
化简得:,解得:,
故的最大值是,故选:C.
▌题型03 轮换对称法的应用
【典例3-1】4
【详解】因为,,,所以,
当且仅当时取等号.
秒解(轮换对称法):通过观察不难发现,所给等式及目标函数中的是轮换对称的,当时理应取得想要的结果,此时的最小值是2+2=4.
【典例3-2】B
【详解】.
因为,当且仅当,即时,等号成立,
所以,即,当且仅当时,等号成立.
秒解:令,问题转化为的最小值,显然a和t轮换对称,故令,所以,即最小值为.
【变式3-1】B
【分析】利用乘“1”法和基本不等式可得最小值,即可得与有关不等式,解出即可得.
【详解】由,则,
当且仅当,即,时,等号成立,
故,即,解得,
即实数的取值范围是.
秒解:由,可设,则,,
符合x与t对称轮换的特征,显然当时,
故,即,解得,
即实数的取值范围是.
【变式3-2】27
【详解】三元完全轮换对称结构,最值在 时取得.
令 ,得 ,即 .
代入得:.
故原式最小值为 .
【变式3-3】24
【详解】化简目标式:.
式子为轮换对称结构, 最大值在 时取得.
令 ,得 .
原式最大值为 .
▌题型04 裂项换元法的应用
裂项换元法主要适用于分式型代数式最值问题,核心思想是将复杂分式通过拆项、裂项变形,分离出常数和可利用均值不等式的结构,再通过换元简化变量结构,消除分母复杂多项式,转化为“积定和最小、和定积最大”的基础最值模型.该方法重点解决分子、分母均为一次或二次多项式的分式最值问题.
【典例4】B
【详解】裂项得.
令,则,当即取等号.
【变式4-1】已知,则的最小值为________.
【答案】.
【详解】裂项化简:,令.由均值不等式,最小值为.
【变式4-2】
【详解】令,则有,故所求最小值为 ,仅当 时取等号.
▌题型05 齐次比值换元法的应用
【典例5】
【详解】因为
令,则有
从而有,则有
解不等式得或.
根据的形态知,该函数有上界,则有,
也即所求最大值为.
【变式5-1】
【详解】令,则有
,当且仅当,即时取等,所求最大值为.
【变式5-2】
【详解】原式非齐次,利用进行二次齐次构造:
,令,代入化简:
由均值不等式.
当且仅当时取等,最小值为.
▌题型06 双换元法的应用
【典例6】
【详解】设,则,
当且仅当且,即,时等号成立.
【变式6-1】BCD
【详解】因为,所以,,所以.
令得,
由,,得,,则.
因为,,当且仅当,时,等号成立,
所以,当且仅当时,等号成立.
又,,同时成立,所以,则,
且,时,.
故选:BCD.
【变式6-2】
【详解】双换元,令(),则,。
由,得,最大值为.
【变式6-3】
【详解】双换元,令,得,
由,得,最大值为.
▌题型07 均值换元法的应用
【典例7】18
【详解】由,均值为4,设().
代入化简:
因为,故当时,最小值为.
取等条件:.
【变式7-1】3
【详解】由三元和定均值为2,设()
代入化简:
因为平方项恒非负,当且仅当时,式子取得最小值
取等条件:.
【变式7-2】.
【详解】由,设.
由得
代入目标式:
,
该二次函数对称轴为,开口向上.
当时,最小值为
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