内容正文:
第03讲 基本不等式
一、必备知识整合
1.重要不等式: ,(当且仅当时取号).
常见变形公式: ; 。
2.基本不等式: 。
(1)基本不等式成立的条件: .
(2)等号成立的条件:当且仅当 时,等号成立.
(3)其中 叫做正数a,b的算术平均数, 叫做正数a,b的几何平均数.
3.由公式和引申出的常用结论
①(同号);
②(异号);
③或
4.利用基本不等式求最值
(1)已知x,y都是正数,如果积xy等于定值P,那么当x=y时,和x+y有最小值 .
(2)已知x,y都是正数,如果和x+y等于定值S,那么当x=y时,积xy有最大值 .
注意:利用基本不等式求最值应满足三个条件“一正、二定、三相等”.
二、考点分类精讲
►考点01 对基本不等式的理解及简单应用
【例1】若且,则下列不等式中恒成立的是( ).
A. B.
C. D.
【变式1】已知正数,满足,则下列结论错误的是( ).
A. B.
C. D.
【变式2】给出下面三个推导过程:
①∵a、b为正实数,∴+=2;
②∵a∈R,a≠0,∴+a=4;
③∵x、y∈R,xy<0,∴+=-=-2. 其中正确的推导为( )
A. ①② B.①③ C.②③ D.①②③
【变式3】(多选)下列命题正确的是( )
A.若x<0,则x+≤-2 B.若x>0,则x-≤-2
C.若x∈R且x≠0,则≥2 D.x2+≥1
►考点02 直接法求最值
【例2】若实数x,y满足xy=1,则x2+2y2的最小值为( )
A.1 B. C.2 D.2
【变式1】当0<x<1时,3x(3-3x)的最大值为 .
【变式2】若,则的最小值为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
【变式3】已知正数、满足,则的最小值是___________.
►考点03 配凑法求最值
【例3】函数f(x)=4x+,x∈(-1,+∞)的最小值为( )
A.6 B.8 C.10 D.12
【变式1】已知,则的最小值是( )
A.5 B.4 C.8 D.6
【变式2】函数f(x)=x2+的最小值是 .
【变式3】已知a>0,b>0,且=1,则a+b的最小值为 .
►考点04 分离常数法求最值
【例4】若,则的最大值是( )
A. B. C. D.
【变式1】求函数的最小值。
【变式2】求函数的最小值。
【变式3】已知,,且,则的最小值是 .
►考点05 换元法求最值
【例5】已知x>1,则y=的最大值为________.
【变式1】求函数的最小值。
【变式2】函数y=(x>-1)的最小值为________.
【变式3】若,且,则的最小值为( )
A.1 B. C. D.
►考点06 消元法求最值
【例6】已知实数x,y满足3xy+y2=1,y>0,则2x+y的最小值是( )
A. B. C.2 D.3
【变式1】已知,,且,的最小值为 .
【变式2】已知x>2,且x-y-2=0,则的最小值是( )
A.2 B.3 C.4 D.9
【变式3】设正实数x,y,z满足x2-xy+y2-z=0,则的最大值为( )
A.4 B.2 C.3 D.1
►考点07 乘1法求最值
【例7】若,,且,则的最小值是( )
A.16 B.14 C.10 D.8
【变式1】已知是正数,且,则的最小值为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
【变式2】(多选)已知a>0,b>0,a+b=1,则下列结论正确的是( )
A.ab的最大值为 B.的最小值为9
C.a2+b2的最小值为 D.的最小值为6
【变式3】已知x>0,y>0,2x+y=xy,则2x+y的最小值为( )
A.8 B.4 C.8 D.4
►考点08 利用基本不等式求解恒成立问题
【例8】若两个正实数x,y满足,且不等式有解,则实数m的取值范围是______.
【变式1】已知,,若不等式恒成立,则的最大值为( )
A. B. C. D.
【变式2】若存在,使成立,则的取值范围是___________.
【变式3】已知,,且,若恒成立,求实数m的取值范围.
►考点9 基本不等式实际应用
【例9】某小微企业因资金链断裂陷入生产经营困境,该企业有60万元的无息贷款即将到期但无力偿还,当地政府和金融机构为帮助该企业渡过难关,批准其延期还贷,并再为其提供30万元的无息贷款用来帮助其维持生产,该企业盈利途径是生产销售一种产品,已知每生产1万件产品需投入4万元的资料成本费,每年的销售收入(万元)与产品年产量(万件)间的函数关系为,该企业在运营过程中每年还要支付给全体职工共36万元的人力成本费.
(1)写出该企业的年利润(万元)关于产品年产量(万件)的函数解析式;
(2)当产品年产量为多少万件时,企业获得的年利润最大?最大年利润为多少万元?
【变式1】若把总长为20 m的篱笆围成一个矩形场地,则矩形场地的最大面积是________ m2.
【变式2】某社区为扩大居民的活动区域,计划将社区内原有的半径为10m的圆形花坛扩建成一个矩形花园.若要求扩建前的圆与扩建后矩形的两邻边和一条对角线都相切,则矩形花园占地面积的最小值为 .(结果精确到)
【变式3】某工厂建造一个无盖贮水池,其容积为,深度为.池底每平方米的造价为元,池壁每平方米的造价为元,设计水池的最低总造价约为( )
A.元 B.元 C.元 D.元
三、课后作业
1.已知p:a>b>0,q:>,则p是q成立的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
2.已知m>0,n>0,mn=81,则m+n的最小值是( )
A.9 B.18 C.9 D.27
3.已知,是正数,且,则最小值为( )
A. B.
C.3+ D.
4.若,,且,则下列不等式恒成立的是( )
A. B.
C. D.
5.若函数f(x)=x+(x>2)在x=a处取最小值,则a等于( )
A.1+ B.1+ C.3 D.4
6.若x>0,则函数y=的最小值为( )
A.6 B.7 C.10 D.11
7.(多选)下列命题中正确的是( )
A.任意非零实数,都有 B.当时,的最小值是3
C.当时,的最大值是5 D.若正数满足,则的最小值为3
8.(多选)若m>0,n>0,且m+2n=1,则下列结论正确的是( )
A.mn≤ B.≥
C.≥9 D.m2+4n2≤
9.已知x>,则x+的最小值为 .
10.某公益广告公司拟在一张矩形海报纸(记为矩形ABCD,如图)上设计三个等高的宣传栏(栏面分别为一个等腰三角形和两个全等的直角梯形),宣传栏(图中阴影部分)的面积之和为1 440 cm2.为了美观,要求海报上所有水平方向和竖直方向的留空宽度均为2 cm.当直角梯形的高为__________ cm时,用纸量最少(即矩形ABCD的面积最小).
11.求下列式子的最值.
(1)已知,求的最小值;
(2)已知,,且,求的最小值.
12.已知x>0,y>0,x+2y+xy=30,求:
(1)xy的最大值;
(2)2x+y的最小值.
学科网(北京)股份有限公司
$
第03讲 基本不等式
一、必备知识整合
1.重要不等式:,(当且仅当时取号).
常见变形公式:、
2.基本不等式:≤
(1)基本不等式成立的条件:a>0,b>0.
(2)等号成立的条件:当且仅当a=b时,等号成立.
(3)其中叫做正数a,b的算术平均数,叫做正数a,b的几何平均数.
3.由公式和引申出的常用结论
①(同号);②(异号);
③或
4.利用基本不等式求最值
(1)已知x,y都是正数,如果积xy等于定值P,那么当x=y时,和x+y有最小值2.
(2)已知x,y都是正数,如果和x+y等于定值S,那么当x=y时,积xy有最大值S2.
注意:利用基本不等式求最值应满足三个条件“一正、二定、三相等”.
二、考点分类精讲
►考点01 对基本不等式的理解及简单应用
【例1】若且,则下列不等式中恒成立的是( ).
A. B.
C. D.
【答案】D
【详解】当时,,A错;时,满足,但,B错;时,满足,,C错.,则,,当且仅当时等号成立.D正确.故选:D.
【变式1】已知正数,满足,则下列结论错误的是( ).
A. B.
C. D.
【答案】D
【详解】A:,当且仅当时,等号成立,又因为,所以,即,故A正确;B:,当且仅当时,等号成立,因为,所以,故B正确;C:,当且仅当时,等号成立,所以,故C正确;D:若,则,故D错误;故选:D.
【变式2】给出下面三个推导过程:
①∵a、b为正实数,∴+=2;②∵a∈R,a≠0,∴+a=4;
③∵x、y∈R,xy<0,∴+=-=-2. 其中正确的推导为( )
A. ①② B.①③ C.②③ D.①②③
【答案】B
【详解】①,根据基本不等式的知识可知①正确.②,当时,,所以②错误.③,根据基本不等式的知识可知③正确.所以正确的为①③.故选:B
【变式3】(多选)下列命题正确的是( )
A.若x<0,则x+≤-2 B.若x>0,则x-≤-2
C.若x∈R且x≠0,则≥2 D.x2+≥1
【答案】ACD
解析 当x<0时有-x>0,则x+=-≤-2=-2,
当且仅当-x=,即x=-1时等号成立,A选项正确;
当x>0时,y=x-单调递增,其值域为R,B选项错误;
若x∈R且x≠0,则=|x|+≥2=2,
当且仅当|x|=,即x=-1或x=1时等号成立,C选项正确;
x2+=x2+1+-1≥2-1=1,
当且仅当x2+1=,即x=0时等号成立,D选项正确.
►考点02 直接法求最值
【例2】若实数x,y满足xy=1,则x2+2y2的最小值为( )
A.1 B. C.2 D.2
【答案】D
解析 方法一 由xy=1得x2+2y2≥2=2,
当且仅当x2=2y2,即x2=,y2=时,等号成立,x2+2y2的最小值为2.
方法二 x2+2y2=≥2,当且仅当x2=2y2,即x2=,y2=时,等号成立,x2+2y2的最小值为2.
【变式1】当0<x<1时,3x(3-3x)的最大值为 .
【答案】
解析 由题意及基本不等式可知3x(3-3x)≤,
当且仅当x=1-x,即x=时取等号.
【变式2】若,则的最小值为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
【答案】B
【详解】由可知,所以,当且仅当时,等号成立;即的最小值为.故选:B
【变式3】已知正数、满足,则的最小值是___________.
【答案】
【详解】因为、为正数,由基本不等式可得,所以,,
当且仅当时,即当时,等号成立,故的最小值为.
►考点03 配凑法求最值
【例3】函数f(x)=4x+,x∈(-1,+∞)的最小值为( )
A.6 B.8 C.10 D.12
【答案】B
解析 因为x∈(-1,+∞),则x+1>0,
则f(x)=4x+=4(x+1)+-4≥2-4=12-4=8,
当且仅当即x=时,等号成立,
故函数f(x)=4x+,x∈(-1,+∞)的最小值为8.
【变式1】已知,则的最小值是( )
A.5 B.4 C.8 D.6
【答案】A
【详解】∵,∴,∴,
当且仅当,即时等号成立,∴的最小值是5.故选:A.
【变式2】函数f(x)=x2+的最小值是 .
【答案】
解析 由f(x)=x2+=x2+2+-2,
令x2+2=t(t≥2),则有f(t)=t+-2,
由对勾函数的性质知,f(t)在[2,+∞)上单调递增,所以当t=2时,f(t)min=,
即当x=0时,f(x)min=.
【变式3】已知a>0,b>0,且=1,则a+b的最小值为 .
【答案】2+1
解析 由a>0,b>0,=1,
得a+b=(a+1)+(b+1)-2
=[(a+1)+(b+1)]-2
=+1≥2+1
=2+1,
当且仅当,即a=,b=+1时取等号,所以a+b的最小值为2+1.
►考点04 分离常数法求最值
【例4】若,则的最大值是( )
A. B. C. D.
【答案】B
【详解】因为,所以
,当且仅当,即时,等号成立,故选:B.
【变式1】求函数的最小值。
【答案】3
【详解】∵(当且仅当,即x=1时取“=”)即的最小值为3;
【变式2】求函数的最小值。
【答案】10
【详解】令,则可化为:
当且仅当t=3时取“=”即y的最小值为10.
【变式3】已知,,且,则的最小值是 .
【答案】
【详解】由题意可得,,
等号成立时,即.故的最小值是.
►考点05 换元法求最值
【例5】已知x>1,则y=的最大值为________.
【答案】
解析 令t=x-1,∴x=t+1,∵x>1,∴t>0,
∴y===≤=,
当且仅当t=,t=2,即x=3时,等号成立,∴当x=3时,ymax=.
【变式1】求函数的最小值。
【答案】
【详解】令,则在是单增,∴当t=2时,y取最小值;即y的最小值为。
【变式2】函数y=(x>-1)的最小值为________.
【答案】0
解析 因为y==x-1+=x+1+-2(x>-1),
所以y≥2-2=0,
当且仅当x=0时,等号成立.
所以y=(x>-1)的最小值为0.
【变式3】若,且,则的最小值为( )
A.1 B. C. D.
【答案】D
【详解】因为,所以,又,所以,
令,,则,,所以,当且仅当,即,即时,等号成立,所以的最小值为.故选:D.
►考点06 消元法求最值
【例6】已知实数x,y满足3xy+y2=1,y>0,则2x+y的最小值是( )
A. B. C.2 D.3
【答案】B
解析 因为实数x,y满足3xy+y2=1,y>0,
所以x=,
则2x+y=+y=≥2,
当且仅当,即y=时,等号成立,
所以2x+y的最小值是.
【变式1】已知,,且,的最小值为 .
【答案】5
【详解】将变形为,由基本不等式,
故,当且仅当时取等号.
【变式2】已知x>2,且x-y-2=0,则的最小值是( )
A.2 B.3 C.4 D.9
【答案】D
解析 由题意得x=y+2>2,所以y>0,
所以+1≥2+1=3(当且仅当y=2时取等号),
所以的最小值为3.
又因为,
所以的最小值是9.
【变式3】设正实数x,y,z满足x2-xy+y2-z=0,则的最大值为( )
A.4 B.2 C.3 D.1
【答案】D
解析 因为正实数x,y,z满足x2-xy+y2-z=0,则z=x2+y2-xy,
所以≤=1,
当且仅当(x>0,y>0),即x=y时,等号成立,故的最大值为1.
►考点07 乘1法求最值
【例7】若,,且,则的最小值是( )
A.16 B.14 C.10 D.8
【答案】D
【详解】因为,,且,所以,当且仅当时,即时,等号成立,所以的最小值是8故选:D.
【变式1】已知是正数,且,则的最小值为( )
A.1 B.2 C.3 D.4
【答案】D
【详解】由是正数,且,可得,即,则,当且仅当,即时,等号成立,所以的最小值为.故选:D.
【变式2】(多选)已知a>0,b>0,a+b=1,则下列结论正确的是( )
A.ab的最大值为 B.的最小值为9
C.a2+b2的最小值为 D.的最小值为6
【答案】BCD
解析 对于A,1=a+b≥2⇒ab≤,当且仅当a=b=时取等号,故A错误;
对于B,(a+b)=5+≥5+2=9,
当且仅当即a=,b=时取等号,故B正确;
对于C,a2+b2≥,
当且仅当a=b=时取等号,故C正确;
对于D,=2+≥2+2=6,当且仅当即b=,a=时取等号,故D正确.
【变式3】已知x>0,y>0,2x+y=xy,则2x+y的最小值为( )
A.8 B.4 C.8 D.4
【答案】A
解析 方法一 由x>0,y>0,2x+y=xy,可得y=>0,则x>1,
则2x+y=2x+==2(x-1)++4
≥2+4=8,
当且仅当2(x-1)=,即x=2时,等号成立,
所以2x+y的最小值为8.
方法二 由x>0,y>0,2x+y=xy,得=1,
所以2x+y=(2x+y)+4≥2+4=8,
当且仅当,2x+y=xy,
即x=2,y=4时,等号成立,
所以2x+y的最小值为8.
►考点08 利用基本不等式求解恒成立问题
【例8】若两个正实数x,y满足,且不等式有解,则实数m的取值范围是______.
【答案】或
【详解】不等式有解,,,,且,
,当且仅当,即,时取“”,,故,即,解得或.
【变式1】已知,,若不等式恒成立,则的最大值为( )
A. B. C. D.
【答案】B
【详解】,,若不等式恒成立,恒成立,当且仅当时取等号.
,即的最大值为.故选:B.
【变式2】若存在,使成立,则的取值范围是___________.
【答案】
【详解】解:依题意存在,使成立,即存在,使得,即,因为,所以,当且仅当,即时取等号,所以,即的最大值为,所以,即;
【变式3】已知,,且,若恒成立,求实数m的取值范围.
【答案】
【详解】因为,,且, 所以,当且仅当时,等号成立,因为恒成立,所以,即,解得.所以实数m的取值范围为.
►考点9 基本不等式实际应用
【例9】某小微企业因资金链断裂陷入生产经营困境,该企业有60万元的无息贷款即将到期但无力偿还,当地政府和金融机构为帮助该企业渡过难关,批准其延期还贷,并再为其提供30万元的无息贷款用来帮助其维持生产,该企业盈利途径是生产销售一种产品,已知每生产1万件产品需投入4万元的资料成本费,每年的销售收入(万元)与产品年产量(万件)间的函数关系为,该企业在运营过程中每年还要支付给全体职工共36万元的人力成本费.
(1)写出该企业的年利润(万元)关于产品年产量(万件)的函数解析式;
(2)当产品年产量为多少万件时,企业获得的年利润最大?最大年利润为多少万元?
【详解】(1)当时,年利润;
当时,;所以.
(2)由(1)知,当时,,
所以当万件时,企业获得的利润最大为14万元;当时,,当且仅当万件时取等号,企业获得的利润最大为18万元,而,所以年产量为9万件时,企业获得的年利润最大为18万元.
【变式1】若把总长为20 m的篱笆围成一个矩形场地,则矩形场地的最大面积是________ m2.
【答案】25
解析 设矩形的一边为x m,面积为y m2,
则另一边为×(20-2x)=(10-x)m,
其中0<x<10,
∴y=x(10-x)≤2=25,
当且仅当x=10-x,即x=5时,等号成立,
∴ymax=25,
即矩形场地的最大面积是25 m2.
【变式2】某社区为扩大居民的活动区域,计划将社区内原有的半径为10m的圆形花坛扩建成一个矩形花园.若要求扩建前的圆与扩建后矩形的两邻边和一条对角线都相切,则矩形花园占地面积的最小值为 .(结果精确到)
【答案】.
【详解】如图,在矩形中,设,,,
则,圆的半径m,因为,,即,当且仅当时,等号成立,可得,即,解得,所以矩形花园占地面积的最小值为.
【变式3】某工厂建造一个无盖贮水池,其容积为,深度为.池底每平方米的造价为元,池壁每平方米的造价为元,设计水池的最低总造价约为( )
A.元 B.元 C.元 D.元
【答案】C
【详解】设无盖贮水池的底面长为,宽为,又其深度为,容积为,所以,化简得,令池底面积为,则,解得,又池底每平方米的造价为元,则池底总造价为元,池壁由四个侧面组成,面积为,
又池壁每平方米的造价为元,则池壁总造价为元,综上所述,水池的总造价为元,令,又,所以,根据基本不等式,可得,当且仅当,即时,取得最小值.故选:C
三、课后作业
1.已知p:a>b>0,q:>,则p是q成立的( )
A.充分不必要条件 B.必要不充分条件
C.充要条件 D.既不充分也不必要条件
【答案】A
解析 ∵a>b>0,则a2+b2>2ab,
∴2(a2+b2)>a2+b2+2ab,
∴2(a2+b2)>(a+b)2,
∴>,∴由p可推出q;
当a<0,b<0时,q也成立,
如a=-1,b=-3时,=5>=4,
∴由q推不出p,
∴p是q成立的充分不必要条件.
2.已知m>0,n>0,mn=81,则m+n的最小值是( )
A.9 B.18 C.9 D.27
【答案】B
解析 因为m>0,n>0,
由基本不等式m+n≥2得,
m+n≥18,当且仅当m=n=9时,等号成立,
所以m+n的最小值是18.
3.已知,是正数,且,则最小值为( )
A. B.
C.3+ D.
【答案】D
4.若,,且,则下列不等式恒成立的是( )
A. B.
C. D.
【答案】C
【详解】取,,满足,,且,
所以不正确;,所以不正确;,所以不正确;
因为,当且仅当时等号成立,所以正确.故选:.
5.若函数f(x)=x+(x>2)在x=a处取最小值,则a等于( )
A.1+ B.1+ C.3 D.4
【答案】C
解析 当x>2时,x-2>0,f(x)=(x-2)++2≥2+2=4,当且仅当x-2=(x>2),即x=3时,取等号,即当f(x)取得最小值时x=3,即a=3.
6.若x>0,则函数y=的最小值为( )
A.6 B.7 C.10 D.11
【答案】D
解析 ∵x>0,
∴y==x++1≥2+1=11,
当且仅当x=,即x=5时,等号成立,
∴函数y=的最小值为11.
7.(多选)下列命题中正确的是( )
A.任意非零实数,都有 B.当时,的最小值是3
C.当时,的最大值是5 D.若正数满足,则的最小值为3
【答案】BCD
【详解】对于A,取,而,A错误;对于B,当时,,当且仅当时取等号,B正确;对于C,当时,,当且仅当时取等号,C正确;对于D,正数满足,则,当且仅当时取等号,D正确.
8.(多选)若m>0,n>0,且m+2n=1,则下列结论正确的是( )
A.mn≤ B.≥
C.≥9 D.m2+4n2≤
【答案】AC
解析 对于A,若m>0,n>0,且m+2n=1,则有mn=·m·2n≤,
当且仅当m=,n=时等号成立,故A正确;
对于B,=1+2,
由A可得mn≤,故1+2≤2,
所以≤,故B不正确;
对于C,(m+2n)=5+≥5+2=9,
当且仅当m=n=时等号成立,故C正确;
对于D,≥,即m2+4n2≥,当且仅当m=,n=时等号成立,故D不正确.
9.已知x>,则x+的最小值为 .
【答案】
解析 由于x>,所以2x-1>0,
所以x+≥2,
当且仅当,即x=时等号成立,所以x+的最小值为.
10.某公益广告公司拟在一张矩形海报纸(记为矩形ABCD,如图)上设计三个等高的宣传栏(栏面分别为一个等腰三角形和两个全等的直角梯形),宣传栏(图中阴影部分)的面积之和为1 440 cm2.为了美观,要求海报上所有水平方向和竖直方向的留空宽度均为2 cm.当直角梯形的高为__________ cm时,用纸量最少(即矩形ABCD的面积最小).
【答案】12
解析 设直角梯形的高为x cm,∵宣传栏(图中阴影部分)的面积之和为1 440 cm2,
且海报上所有水平方向和竖直方向的留空宽度均为2 cm,
∴海报宽AD=x+4,海报长DC=+8,
故S矩形ABCD=AD·DC=(x+4)=8x++1 472≥2+1 472=192+1 472,当且仅当8x=,即x=12时,等号成立.
∴当直角梯形的高为12 cm时,用纸量最少.
11.求下列式子的最值.
(1)已知,求的最小值;
(2)已知,,且,求的最小值.
【答案】(1)(2)9
【详解】(1)因为,所以,
,
当且仅当,即时取得等号,所以函数的最小值为.
(2),当且仅当,即,即时取得等号,所以的最小值为9.
12.已知x>0,y>0,x+2y+xy=30,求:
(1)xy的最大值;
(2)2x+y的最小值.
解 (1)因为x>0,y>0,
根据基本不等式,30=x+2y+xy≥2+xy(当且仅当x=2y=6时取等号),
令=t(t>0),则t2+2t-30≤0,
解得-5≤t≤3,又t>0,
所以0<t≤3,即0<≤3,
所以0<xy≤18,故xy的最大值为18.
(2)由x+2y+xy=30可知,y=>0,0<x<30,2x+y=2x+=2(x+2)+-5≥2-5=11,
当且仅当2(x+2)=,即x=2时取等号,
所以2x+y的最小值为11.
学科网(北京)股份有限公司
$