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  • 2021-06-24 发布

【数学】2018届一轮复习北师大版 柯西不等式与排序不等式学案

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第3讲 柯西不等式与排序不等式 ‎[学生用书P252])‎ ‎1.二维形式的柯西不等式 ‎(1)定理1(二维形式的柯西不等式)‎ 若a,b,c,d都是实数,则(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2,当且仅当ad=bc时,等号成立.‎ ‎(2)(二维变式)·≥|ac+bd|,·≥|ac|+|bd|.‎ ‎(3)定理2(柯西不等式的向量形式)‎ 设α,β是两个向量,则|α·β|≤|α||β|,当且仅当β是零向量,或存在实数k,使α=kβ时,等号成立.‎ ‎(4)定理3(二维形式的三角不等式)‎ 设x1,y1,x2,y2∈R,那么+≥.‎ ‎(5)(三角变式)设x1,y1,x2,y2,x3,y3∈R,则+≥.‎ ‎2.柯西不等式的一般形式 设a1,a2,a3,…,an,b1,b2,b3,…,bn是实数,则(a+a+…+a)(b+b+…+b)≥(a1b1+a2b2+…+anbn)2,当且仅当bi=0(i=1,2,…,n)或存在一个数k,使得ai=kbi(i=1,2,…,n)时,等号成立.‎ ‎3.排序不等式 设a1≤a2≤…≤an,b1≤b2≤…≤bn为两组实数,c1,c2,…,cn为b1,b2,…,bn的任一排列,则有:a1bn+a2bn-1+…+anb1≤a1c1+a2c2+…+ancn≤a1b1+a2b2+…+anbn,当且仅当a1=a2=…=an或b1=b2=…=bn时,反序和等于顺序和.‎ 排序原理可简记作:反序和≤乱序和≤顺序和.‎ ‎ 柯西不等式的证明[学生用书P253]‎ ‎[典例引领]‎ ‎ 若a,b,c,d都是实数,求证(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2,当且仅当ad=bc时,等号成立.‎ ‎【证明】 因为(a2+b2)(c2+d2)-(ac+bd)2‎ ‎=a2c2+a2d2+b2c2+b2d2-a2c2-b2d2-2acbd ‎=a2d2+b2c2-2adbc=(ad-bc)2≥0,‎ 当且仅当ad=bc时,等号成立.‎ 即(a2+b2)(c2+d2)-(ac+bd)2≥0,‎ 所以(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2,‎ 当且仅当ad=bc时,等号成立.‎ 设α,β是两个向量,求证|α·β|≤|α||β|,当且仅当β为零向量或存在实数k,使α=kβ时等号成立.‎ ‎[证明] 如图,设在平面直角坐标系xOy中有向量α=(a,b),β=(c,d),α与β之间的夹角为θ,0≤θ≤π.‎ 根据向量数量积(内积)的定义,有α·β=|α||β|cos θ,‎ 所以|α·β|=|α||β||cos θ|.‎ 因为|cos θ|≤1,所以|α·β|≤|α||β|.‎ 如果向量α和β中有零向量,则ad-bc=0,不等式取等号.如果向量α和β都不是零向量,则当且仅当|cos θ|=1,即向量α和β共线时,不等式取等号.‎ 柯西不等式的证明可利用已学过的比较法,也可利用向量法,柯西三角不等式还可利用几何法证明.‎ 如下:设x1,y1,x2,y2,x3,y3∈R,则 +≥ . ‎ 证明:设A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3).‎ 由|CA|+|CB|≥|BA|与两点间的距离公式得+≥.‎ 当且仅当点C位于线段BA上时取等号.‎ ‎ 设a1,a2,b1,b2为实数,求证:+≥.‎ ‎[证明] (+)2‎ ‎=a+a+2+b+b ‎≥a+a+2|a1b1+a2b2|+b+b ‎≥a+a-2(a1b1+a2b2)+b+b ‎=(a-2a1b1+b)+(a-2a2b2+b)‎ ‎=(a1-b1)2+(a2-b2)2,‎ 所以+≥ .‎ ‎ 利用柯西不等式求最值[学生用书P253]‎ ‎[典例引领]‎ ‎ 已知正实数u,v,w满足u2+v2+w2=8,求++的最小值.‎ ‎【解】 因为u2+v2+w2=8.‎ 所以82=(u2+v2+w2)2= ‎≤(9+16+25),‎ 所以++≥=.‎ 当且仅当÷3=÷4=÷5,即u=,v=,w=2时取到“=”,所以当u=,v=,w=2时++的最小值为.‎ 利用柯西不等式求最值的一般结构为:(a+a+…+a)≥(1+1+…+1)2=n2.在使用柯西不等式时,要注意右边为常数且应注意等号成立的条件.  ‎ ‎[通关练习]‎ ‎1.设x,y,z∈R,2x-y-2z=6,试求x2+y2+z2的最小值.‎ ‎[解] 考虑以下两组向量 u=(2,-1,-2),v=(x,y,z),‎ 根据柯西不等式(u·v)2≤|u|2·|v|2,‎ 得[2x+(-1)y+(-2)z]2≤[22+(-1)2+(-2)2](x2+y2+z2),‎ 即(2x-y-2z)2≤9(x2+y2+z2),‎ 将2x-y-2z=6代入其中,‎ 得36≤9(x2+y2+z2),‎ 即x2+y2+z2≥4,‎ 故x2+y2+z2的最小值为4.‎ ‎2.设x,y,z∈R,x2+y2+z2=25,试求x-2y+2z的最大值与最小值.‎ ‎[解] 根据柯西不等式,有(1·x-2·y+2·z)2≤[12+(-2)2+22](x2+y2+z2),‎ 即(x-2y+2z)2≤9×25,‎ 所以-15≤x-2y+2z≤15,‎ 故x-2y+2z的最大值为15,最小值为-15.‎ ‎ 利用柯西不等式证明不等式[学生用书P254]‎ ‎[典例引领]‎ ‎ 设a,b,c为正数,且a+b+c=1,求证:++≥.‎ ‎【证明】 ++ ‎=(12+12+12) ‎≥ ‎= ‎= ‎≥×(1+9)2=,‎ 当且仅当a=b=c时等号成立,所以所求证的不等式成立.‎ 利用柯西不等式证明的关键是恰当构造变形,化为符合它的结构形式,当一个式子与柯西不等式的左边或右边具有一致形式时,就可使用柯西不等式进行证明.注意等号成立的条件.  ‎ ‎[通关练习]‎ ‎1.已知a,b为正数,求证+≥.‎ ‎[证明] 因为a>0,b>0,所以由柯西不等式,‎ 得(a+b) ‎=[()2+()2]· ‎≥=9,当且仅当a=b时取等号,所以+≥.‎ ‎2.设a,b>0,且a+b=1,求证:+≥.‎ ‎[证明] 因为(12+12) ‎≥ ‎= ‎=≥25,当且仅当a=b=时取等号,‎ 所以+≥.‎ ‎ 利用排序不等式求最值[学生用书P255]‎ ‎[典例引领]‎ ‎ 设a,b,c为任意正数,求++的最小值.‎ ‎【证明】 不妨设a≥b≥c,‎ 则a+b≥a+c≥b+c,≥≥,‎ 由排序不等式得,‎ ++≥++,‎ ++≥++,‎ 上述两式相加得:2≥3,‎ 即++≥.‎ 当且仅当a=b=c时,‎ ++取最小值.‎ 求最小(大)值时,往往所给式子是顺(反)序和式.然后利用顺(反)序和不小(大)于乱序和的原理构造出适当的一个或两个乱序和,从而求出其最小(大)值.  ‎ ‎ 设0>…>,‎ 且b1≥1,b2≥2,…,bn-1≥n-1,c1≤2,c2≤3,…,cn-1≤n.‎ 利用排序不等式,有 ++…+≥++…+≥++…+.‎ 故原不等式成立.‎ ‎3.已知大于1的正数x,y,z满足x+y+z=3.求证:++≥.‎ ‎[证明] 由柯西不等式及题意得,‎ ·[(x+2y+3z)+(y+2z+3x)+(z+2x+3y)]≥(x+y+z)2=27.‎ 又(x+2y+3z)+(y+2z+3x)+(z+2x+3y)=6(x+y+z)=18,‎ 所以++≥=,‎ 当且仅当x=y=z=时,等号成立.‎ ‎4.设x,y,z∈R,且满足:x2+y2+z2=1,x+2y+3z=,求x+y+z的值.‎ ‎[解] 由柯西不等式可得(x2+y2+z2)(12+22+32)≥(x+2y+3z)2,‎ 即(x+2y+3z)2≤14,‎ 因此x+2y+3z≤.‎ 因为x+2y+3z=,‎ 所以x==,‎ 解得x=,y=,z=,‎ 于是x+y+z=.‎ ‎5.已知a,b,c∈R,且2a+2b+c=8,求(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2的最小值.‎ ‎[解] 由柯西不等式得 ‎(4+4+1)×[(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2]≥[2(a-1)+2(b+2)+c-3]2,‎ 所以9[(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2]≥(2a+2b+c-1)2.‎ 因为2a+2b+c=8,‎ 所以(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2≥,‎ 当且仅当==c-3时等号成立,‎ 所以(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2的最小值是.‎ ‎6.已知x,y,z均为实数.‎ ‎(1)若x+y+z=1,求证:++≤3;‎ ‎(2)若x+2y+3z=6,求x2+y2+z2的最小值.‎ ‎[解] (1)证明:因为(++)2≤(12+12+12)(3x+1+3y+2+3z+3)=27.‎ 所以++≤3.‎ 当且仅当x=,y=,z=0时取等号.‎ ‎(2)因为6=x+2y+3z≤·,‎ 所以x2+y2+z2≥,‎ 当且仅当x==即x=,y=,z=时,x2+y2+z2有最小值.‎

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