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- 2021-07-01 发布
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几个重要不等式
【学习目标】
1.认识柯西不等式的几种不同形式,理解它们的几何意义,学会柯西不等式的简单应用.
2.用向量递推的方法讨论排序不等式,学会排序不等式的简单应用.
3.了解数学归纳法的原理、使用范围和基本步骤,会用数学归纳法证明一些简单问题.
4.会用数学归纳法证明贝努利不等式.
5.通过对上述重要不等式的分析、证明和简单应用,提高学生分析问题的能力、推理论证的能力和运用已知数学结论解决问题的能力.
【要点梳理】
要点一:柯西不等式
1.二维形式的柯西不等式
代数形式(定理1)
对任意实数,则.
(当且仅当向量与向量共线,即时,等号成立).
向量形式:
设是平面上任意两个向量,则.
(当且仅当向量与向量共线时,等号成立)。
三角形式:
对任意实数,则
(当且仅当时,等号成立.)
证明:
几何背景:
如图,在三角形中,
,
则
将以上三式代入余弦定理,并化简,可得
或
因为,所以,,
于是
要点诠释:
(1)柯西不等式的代数形式可以看作是向量形式的坐标化表示;
(2)定理1的变形:
若a、b、c、d都是正实数,则,(当且仅当向量与向量共线,即时,,等号成立)
2. 一般形式的柯西不等式
定理2 设与是两组实数,则
,
当且仅当向量与向量共线时,等号成立。
要点诠释:
(1)使用柯西不等式的方便之处在于,对任意的两组实数都成立,这个不等式告诉我们,任意两组数:
,,…, ,
,,…, ,
其对应项“相乘”之后、“求和”、再“平方”这三种运算不满足交换律,先各自平方,然后求和,最后相乘,运算的结果不会变小。
(2)柯西不等式是一个非常重要的不等式,其结构和谐,应用灵活广泛,灵活巧妙的运用它,可以使一些较为困难的问题迎刃而解,并且柯西不等式本身的证明方法也值得在不等式证明中借鉴。
(3)使用一些方法构造符合柯西不等式的形式及条件,继而达到使用柯西不等式解决有关的问题。
(4)利用柯西不等式求最值的关键在于将式子进行恰当的“凑”变形。
要点二:排序不等式
定理1 设a,b和c,d都是实数,如果,那么
当且仅当a=b(或c=d)时取“=”号.
定理2(排序不等式) 设有两个有序实数组:
及
则 (顺序和) ≥
(乱序和) ≥
(逆序和) .
其中,是1,2,…,的任一排列形式,上式当且仅当(或)时,取“=”号。
要点诠释:
学习排序不等式要抓住它的本质含义:两实数序列同方向单调(同时增或同时减)时所得两两乘积之和最大.反之,反方向单调(一增一减)时所得两两乘积之和最小,注意等号成立条件是其中一个序列为常数序列.
要点三:贝努利不等式
定理(贝努利不等式) 对任意实数和任何正整数n;有
.
推广 (1),且
(2),有;
,有
(3);则有
(4)设,则当且仅当时取到“=”
贝努利不等式的证明:
证法1:(数学归纳法)
(1)当时,等式显然成立.
(2)假设时,等式成立,即
当n=k+1时,
综上可知,不等式成立
证法2:联想到
当时,
当
证法3:当,
当,则
证法4:
证法5:只证; 设
,故.
要点四:数学归纳法
对于某些与自然数n有关的命题常常采用下面的方法来证明它的正确性:
先证明当n取第一个值n0时命题成立;
然后假设当n=k(kÎN*,k≥n0)时命题成立,证明当n=k+1时命题也成立
这种证明方法就叫做数学归纳法
要点诠释:
(1)数学归纳法是专门证明与正整数集有关的命题的一种方法,它是一种完全归纳法。
(2)证明了第一步,就获得了递推的基础;证明了第二步,就获得了递推的依据。
【典型例题】
类型一:柯西不等式的简单应用
例1. 已知实数满足, ,试求的最值。
【思路点拨】构造关于变量的柯西不等式,再利用已知条件,转化为关于的式子,解不等式即可.
【解析】由柯西不等式得 ,
即 ,
由条件可得, ,
解得 .
当且仅当向量与向量共线,即 时等号成立.
当时, 的最大值是2;当时,的最小值是1.
【总结升华】正确运用柯西不等式,能用它求函数或代数式的最值,注意等号成立的条件.
举一反三:
【变式1】已知=13,求的最小值.
【答案】由柯西不等式 ,
因为=13,
所以 ,
当且仅当 ,即时取等号.
所以,的最小值是13.
【变式2】设,求的最大值.
【答案】
根据柯西不等式
。
当且仅当,即时等号成立,
此时,的最大值是.
例2. 设为正数且互不相等,求证:。
【思路点拨】先变形,要证,即征,
对不等号的左侧使用柯西不等式,由于其中一个因式由构成,那么另一因式应表示为的和的形式。
【解析】均为正数
又,只需证
又互不相等,所以不能取等,
∴原不等式成立,证毕。
【总结升华】利用柯西不等式证明某些不等式显得特别方便,而利用柯西不等式的技巧也有很多。如常数的巧拆、结构的巧变、巧设数组等。
举一反三:
【变式1】为非负数,,,求证:.
【答案】∵,由柯西不等式得
即.
【变式2】已知正数满足 证明 .
【答案】利用柯西不等式: ,
即 ,
因为 ,
所以,. ①
又因为 ,在此不等式两边同乘以2,再加上,得:
,
即 , ②
由①②得,.
例3(2015 福建高考)已知a>0,b>0,c>0,函数f(x)=|x+a|+|x﹣b|+c的最小值为4.
(1)求a+b+c的值;
(2)求a2+b2+c2的最小值.
【思路点拨】(1)运用绝对值不等式的性质,注意等号成立的条件,即可求得最小值;
(2)运用柯西不等式,注意等号成立的条件,即可得到最小值.
【解答】解:(1)因为f(x)=|x+a|+|x﹣b|+c≥|(x+a)﹣(x﹣b)|+c=|a+b|+c,
当且仅当﹣a≤x≤b时,等号成立,
又a>0,b>0,所以|a+b|=a+b,
所以f(x)的最小值为a+b+c,
所以a+b+c=4;
(2)由(1)知a+b+c=4,由柯西不等式得,
(a2+b2+c2)(4+9+1)≥(•2+•3+c•1)2=(a+b+c)2=16,
即a2+b2+c2≥
当且仅当==,即a=,b=,c=时,等号成立.
所以a2+b2+c2的最小值为.
【总结升华】运用柯西不等式,主要是要观察式子的结构特征.
举一反三:
【变式1】(2015秋 凤凰县校级月考)已知不等式|x﹣2|>3的解集与关于x的不等式x2﹣ax﹣b>0的解集相同.
(1)求实数a,b的值;
(2)求函数f(x)=a+b的最大值.
【解析】(1)不等式|x﹣2|>3的解集为{x|x<﹣1或x>5},所以不等式x2﹣ax﹣b>0的解集为{x|x<﹣1或x>5},
所以﹣1,5是方程x2﹣ax﹣b=0的两根,所以,解得a=4,b=5.
(2)函数f(x)=a+b的定义域为[3,44],由柯西不等式得:
[f(x)]2=(4+5)2≤[(16+25)(x﹣3+44﹣x)]2,.
又因为f(x)≥0,所以f(x)≤4,当且仅当5=4时等号成立,
即x=时,f(x)=41.所以函数f(x)的最大值为41.
【变式2】之三边长为4,5,6,为三角形内部一点,到三边的距离分別为,求的最小值。
【答案】
,
类型二:排序不等式的简单应用
例4. 对,比较与的大小。
【思路点拨】题目中没有给出三个数的大小顺序,且在不等式中的“地位”是对等的,不妨设,再利用排序不等式加以证明.
【解析】
那么这两个不等式组的顺序和为:;乱序和为:,
由排序不等式可得:.
【总结升华】应用排序不等式,必须取两组数目相同便于大小排序的数,此时有两种情形:一是知道各数的大
小顺序;二是不知道各数的大小顺序,但不等式是对称不等式,可以在不失一般性的情况下,假定各数的大小顺序
举一反三:
【变式1】比较1010×1111×1212×1313 与1013×1112×1211×1310的大小。
【答案】
因10 ≤ 11 ≤ 12 ≤ 13及 lg10 ≤ lg11 ≤ lg12 ≤ lg13,
由排序不等式得:
10lg10 + 11lg11 + 12lg12 + 13lg13 ≥ 13lg10 + 12lg11 + 11lg12 + 10lg13
lg(1010×1111×1212×1313) ≥ lg(1013×1112×1211×1310)
即1010×1111×1212×1313 ≥ 1013×1112×1211×1310。
【变式2】已知,求证:.
【答案】
由对称性,不妨设,于是,,
由排序不等式可得:
又因为,,
由排序不等式,乱序和≥逆序和,可得:
由①②得.
【变式3】设,求证:.
【答案】
类型三:贝努力不等式的简单应用
例5. 已知.证明:
【思路点拨】要证,即证,也就是证,该式可用贝努利不等式证明.
【解析】;
∴
∴.
【总结升华】贝努里不等式是分析不等式中最常见的一种不等式,具有简单的结构,深刻的内涵,因此应用非常广泛.
举一反三:
【变式1】对于。已知,求证:
【答案】当,时;由(1)知
于是
【变式2】设函数,是否存在使得
【答案】
,
由贝努利不等式,
,
类型三:数学归纳法的简单应用
例6. 用数学归纳法证明:
【总结升华】本题主要考查用数学归纳法证明等式的步骤,注意当n=k+1时,两边加上的项和结论各是什么.
【证明】
【总结升华】数学归纳法证题的两个步骤缺一不可.证n=k+1成立时,必须用n=k成立的结论,否则,就不是数学归纳法证明.
举一反三:
【变式】用数学归纳法证明:
【答案】①当n=1时,左边=1,右边=2.
左边<右边,不等式成立.
②假设n=k时,不等式成立,即.
那么当n=k+1时,
这就是说,当n=k+1时,不等式成立.
由①、②可知,原不等式对任意自然数n都成立.
说明:这里要注意,当n=k+1时,要证的目标是,当代入归纳假设后,就是要证明:.