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- 2021-06-11 发布
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第75讲 不等式选讲
考试要求 1.不等式的基本性质(B级要求);2.|ax+b|≤c,|ax+b|≥c,|x-a|+|x-b|≤c型不等式的解法(B级要求);3.不等式证明的基本方法(比较法、综合法、分析法)(B级要求);4.算术—几何平均不等式与柯西不等式(A级要求);5.利用不等式求最大(小)值(B级要求);6.运用数学归纳法证明不等式(B级要求).
诊 断 自 测
1.求不等式|x-1|-|x-5|<2的解集.
解 ①当x≤1时,原不等式可化为1-x-(5-x)<2,
∴-4<2,不等式恒成立,∴x≤1.
②当10,y>0,若不等式++≥0恒成立,求实数λ的最小值.
解 ∵x>0,y>0,
∴原不等式可化为-λ≤(+)(x+y)=2++.
∵2++≥2+2=4,当且仅当x=y时等号成立.
∴=4,即-λ≤4,λ≥-4.
故λ的最小值为-4.
知 识 梳 理
1.绝对值不等式的解法
(1)含绝对值的不等式|x|a的解集:
不等式
a>0
a=0
a<0
|x|a
(-∞,-a)∪
(a,+∞)
(-∞,0)∪
(0,+∞)
R
(2)|ax+b|≤c(c>0)和|ax+b|≥c(c>0)型不等式的解法:
①|ax+b|≤c⇔-c≤ax+b≤c;
②|ax+b|≥c⇔ax+b≥c或ax+b≤-c;
(3)|x-a|+|x-b|≥c(c>0)和|x-a|+|x-b|≤c(c>0)型不等式的解法:
①利用绝对值不等式的几何意义求解,体现了数形结合的思想;
②利用“零点分段法”求解,体现了分类讨论的思想;
③通过构造函数,利用函数的图象求解,体现了函数与方程的思想.
2.含有绝对值的不等式的性质
(1)如果a,b是实数,则|a|-|b|≤|a±b|≤|a|+|b|,当且仅当ab≥0时,等号成立.
(2)如果a,b,c是实数,那么|a-c|≤|a-b|+|b-c|,当且仅当(a-b)(b-c)≥0时,等号成立.
3.不等式证明的方法
(1)比较法:
①作差比较法:
知道a>b⇔a-b>0,ab只要证明a-b>0即可,这种方法称为作差比较法.
②作商比较法:
由a>b>0⇔>1且a>0,b>0,因此当a>0,b>0时,要证明a>b,只要证明>1即可,这种方法称为作商比较法.
(2)综合法:
从已知条件出发,利用不等式的有关性质或定理,经过推理论证,最终推导出所要证明的不等式成立,这种证明方法叫综合法.即“由因导果”的方法.
(3)分析法:
从待证不等式出发,逐步寻求使它成立的充分条件,直到将待证不等式归结为一个已成立的不等式(已知条件、定理等),从而得出要证的不等式成立,这种证明方法叫分析法.即“执果索因”的方法.
(4)反证法和放缩法:
①先假设要证的命题不成立,以此为出发点,结合已知条件,应用公理、定义、定理、性质等,进行正确的推理,得到和命题的条件(或已证明的定理、性质、明显成立的事实等)矛盾的结论,以说明假设不正确,从而证明原命题成立,这种方法叫做反证法.
②在证明不等式时,有时要把所证不等式的一边适当地放大或缩小,此利于化简并使它与不等式的另一边的关系更为明显,从而得出原不等式成立,这种方法称为放缩法.
(5)数学归纳法:
一般地,当要证明一个命题对于不小于某正整数n0的所有正整数n都成立时,可以用以下两个步骤:
①证明当n=n0时命题成立;
②假设当n=k (k∈N ,且k≥n0)时命题成立,证明n=k+1时命题也成立.
在完成了这两个步骤后,就可以断定命题对于不小于n0的所有正整数都成立.这种证明方法称为数学归纳法.
4.几个常用基本不等式
(1)柯西不等式:
①柯西不等式的代数形式:设a,b,c,d均为实数,则(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2(当且仅当ad=bc时,等号成立).
②柯西不等式的向量形式:设α,β为平面上的两个向量,则|α β|≥|α·β|,等号当且仅当α,β共线时成立.
③柯西不等式的三角不等式:设x1,y1,x2,y2,x3,y3∈R,则+≥.
④柯西不等式的一般形式:设n为大于1的自然数,ai,bi (i=1,2,…,n)为实数,则(a+a+…+a)(b+b+…+b)≥(a1b1+a2b2+…+anbn)2,等号当且仅当==…=时成立(当ai=0时,约定bi=0,i=1,2,…,n).
(2)算术—几何平均不等式
若a1,a2,…,an为正数,则≥,当且仅当a1=a2=…=an时,等号成立.
考点一 绝对值不等式的解法及利用绝对值不等式求最值
【例1-1】 (2015·全国Ⅰ卷)已知函数f(x)=|x+1|-2|x-a|,a>0.
(1)当a=1时,求不等式f(x)>1的解集;
(2)若f(x)的图象与x轴围成的三角形面积大于6,求a的取值范围.
解 (1)当a=1时,f(x)>1化为|x+1|-2|x-1|-1>0.
当x≤-1时,不等式化为x-4>0,无解;
当-10,解得0,解得1≤x<2.
所以f(x)>1的解集为.
(2)由题设可得,f(x)=
所以函数f(x)的图象与x轴围成的三角形的三个顶点分别为A,B(2a+1,0),C(a,a+1),
△ABC的面积为(a+1)2.
由题设得(a+1)2>6,故a>2.
所以a的取值范围为(2,+∞).
规律方法 形如|x-a|+|x-b|≥c(或≤c)型的不等式主要有三种解法:(1)分段讨论法,利用绝对值号内式子对应方程的根,将数轴分为(-∞,a],(a,b],(b,
+∞)(此处设a<b)三个部分,在每个部分上去掉绝对值号分别列出对应的不等式求解,然后取各个不等式解集的并集;(2)几何法,利用|x-a|+|x-b|>c(c>0)的几何意义:数轴上到点x1=a和x2=b的距离之和大于c的全体;(3)图象法:作出函数y1=|x-a|+|x-b|和y2=c的图象,结合图象求解.
【例1-2】 (1)对任意x,y∈R,求|x-1|+|x|+|y-1|+|y+1|的最小值.
(2)对于实数x,y,若|x-1|≤1,|y-2|≤1,求|x-2y+1|的最大值.
解 (1)∵x,y∈R,
∴|x-1|+|x|≥|(x-1)-x|=1,
|y-1|+|y+1|≥|(y-1)-(y+1)|=2,
∴|x-1|+|x|+|y-1|+|y+1|≥1+2=3.
∴|x-1|+|x|+|y-1|+|y+1|的最小值为3.
(2)|x-2y+1|=|(x-1)-2(y-1)|≤|x-1|+|2(y-2)+2|≤1+2|y-2|+2≤5,
即|x-2y+1|的最大值为5.
规律方法 求含绝对值的函数最值时,常用的方法有三种
(1)利用绝对值的几何意义.
(2)利用绝对值三角不等式,即|a|+|b|≥|a±b|≥|a|-|b|.
(3)利用零点分区间法.
考点二 绝对值不等式的综合应用
【例2】 (2016·全国Ⅱ卷)已知函数f(x)=+,M为不等式f(x)<2的解集.
(1)求M;
(2)证明:当a,b∈M时,|a+b|<|1+ab|.
(1)解 f(x)=
当x≤-时,由f(x)<2得-2x<2,
解得x>-1,所以-11时,①等价于a-1+a≥3,解得a≥2.
所以实数a的取值范围是[2,+∞).
考点三 证明不等式
【例3-1】 若a,b∈R,求证:≤+.
证明 当|a+b|=0时,不等式显然成立.
当|a+b|≠0时,
由0<|a+b|≤|a|+|b|⇒≥,
所以=
≤=
=+≤+.
规律方法 (1)在不等式的证明中,“放”和“缩”是常用的推证技巧.常见的放缩变换有:
①变换分式的分子和分母,如<,>,<,>.上面不等式中k∈N ,k>1;
②利用函数的单调性;
③真分数性质“若00,则<”.
(2)在用放缩法证明不等式时,“放”和“缩”均需把握一个度.
【例3-2】 设a,b,c>0,且ab+bc+ca=1.
求证:(1)a+b+c≥;
(2)++≥ (++).
证明 (1)要证a+b+c≥ ,
由于a,b,c>0,因此只需证明(a+b+c)2≥3.
即证:a2+b2+c2+2(ab+bc+ca)≥3,而ab+bc+ca=1,
故需证明:a2+b2+c2+2(ab+bc+ca)≥3(ab+bc+ca).
即证:a2+b2+c2≥ab+bc+ca.
而这可以由ab+bc+ca≤++=a2+b2+c2(当且仅当a=b=c时等号成立)证得.
∴原不等式成立.
(2)++=.
由于(1)中已证a+b+c≥.
因此要证原不等式成立,只需证明≥ ++.
即证a+b+c≤1,
即证a+b+c≤ab+bc+ca.
而a=≤,
b≤,c≤.
∴a+b+c≤ab+bc+ca
.
∴原不等式成立.
规律方法 当所证明的不等式不能使用比较法,且和重要不等式、基本不等式没有直接联系,较难发现条件和结论之间的关系时,可用分析法来寻找证明途径,使用分析法证明的关键是推理的每一步必须可逆.
【训练2】 设n是正整数,求证:≤++…+<1.
证明 由2n≥n+k>n(k=1,2,…,n),得
≤<.
当k=1时,≤<;
当k=2时,≤<;
…
当k=n时,≤<,
∴=≤++…+<=1.
∴原不等式成立.
考点四 柯西不等式的应用
【例4】 (2017·苏、锡、常、镇二模)已知a,b,c为正数,且a+b+c=3,求++的最大值.
解 由柯西不等式可得
(++)2≤[12+12+12][()2+()2+()2]=3×12,
∴++≤6,当且仅当==时取等号.
∴++的最大值是6.
规律方法 (1)使用柯西不等式证明的关键是恰当变形,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.
(2)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.
【训练3】 已知大于1的正数x,y, 满足x+y+ =3.求证:++≥.
证明 由柯西不等式及题意得,
·[(x+2y+3 )+(y+2 +3x)+( +2x+3y)]≥(x+y+ )2=27.
又(x+2y+3 )+(y+2 +3x)+( +2x+3y)=6(x+y+ )=18,
∴++≥=,
当且仅当x=y= =时,等号成立.
一、必做题
1.在实数范围内,求不等式 x-2|-1|≤1的解集.
解 由 x-2|-1|≤1得-1≤|x-2|-1≤1,
解得0≤x≤4.
∴不等式的解集为[0,4].
2.(2013·江苏卷)已知a≥b>0,求证:2a3-b3≥2ab2-a2b.
证明 2a3-b3-(2ab2-a2b)=2a(a2-b2)+b(a2-b2)
=(a2-b2)(2a+b)=(a-b)(a+b)(2a+b).
因为a≥b>0,所以a-b≥0,a+b>0,2a+b>0,
从而(a-b)(a+b)(2a+b)≥0,即2a3-b3≥2ab2-a2b.
3.(2014·江苏卷)已知x>0,y>0,证明:(1+x+y2)(1+x2+y)≥9xy.
证明 因为x>0,y>0,所以1+x+y2≥3>0,
1+x2+y≥3>0,故(1+x+y2)(1+x2+y)≥3·3=9xy.
4.(2018·徐州模拟)设a、b、c是正实数,且a+b+c=9,求++的最小值.
解 ∵(a+b+c)
=[()2+()2+()2]·
≥
=18,当且仅当a=b=c=3时取等号.
∴++≥2.∴++的最小值为2.
5.(一题多解)已知a,b,c均为正实数,且互不相等,且abc=1,求证:++<++.
证明 法一 ∵a,b,c均为正实数,且互不相等,且abc=1,
∴++=++<++=++.
∴++<++.
法二 ∵+≥2=2;
+≥2=2;+≥2=2.
∴以上三式相加,得++≥ ++.
又∵a,b,c互不相等,∴++>++.
法三 ∵a,b,c是不等正数,且abc=1,
∴++=bc+ca+ab=++>++=++.
∴++<++.
6.设x,y, ∈R,且满足:x2+y2+ 2=1,x+2y+3 =,求x+y+ .
解 由柯西不等式可得(x2+y2+ 2)(12+22+32)≥(x+2y+3 )2,即(x+2y+3 )2≤14,因此x+2y+3 ≤.因为x+2y+3 =,所以x==,解得x=,y=, =,于是x+y+ =.
7.(2017·南通二模) 设x,y, 均为正实数,且xy =1,求证:++≥xy+y + x.
证明 因为x,y, 均为正实数,且xy =1,
所以+xy≥=2y ,+y ≥=2x ,+x ≥=2xy,当且仅当x=y=1时取等号.
所以++≥xy+y + x.
8.(2018·苏州模拟)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,
∴9[(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2]≥(2a+2b+c-1)2.
∵2a+2b+c=8,
∴(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2≥,
当且仅当==c-3时等号成立,
∴(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2的最小值是.
二、选做题
9.已知函数f(x)=|2x-1|+|2x+a|,g(x)=x+3.
(1)当a=-2时,求不等式f(x)-1,且当x∈时,f(x)≤g(x),求a的取值范围.
解 (1)当a=-2时,不等式f(x)-1,则-<,
∴f(x)=|2x-1|+|2x+a|
=
当x∈时,f(x)=a+1,
即a+1≤x+3在x∈上恒成立.
∴a+1≤-+3,即a≤,
∴a的取值范围为.
10.(1)关于x的不等式|x-3|+|x-4|1,即a的取值范围是(1,+∞).
(2)由柯西不等式,得
[42+()2+22]·
=(x+y+ )2,
即25×1≥(x+y+ )2.
∴5≥|x+y+ |,
∴-5≤x+y+ ≤5.
∴x+y+ 的取值范围是[-5,5].