基本不等式
[新知初探]
1.重要不等式
当a ,b 是任意实数时,有a 2+b 2≥2ab ,当且仅当a =b 时,等号成立. 2.基本不等式
(1)有关概念:当a ,b 均为正数时,把a +b
2称为正数a ,b 的算术平均数,把ab 称为正
数a ,b 的几何平均数.
(2)基本不等式定义:如果a ,b 是正数,那么ab ≤
a +b
2
,当且仅当a =b 时取“=”. (3)变形:ab ≤????a +b 22≤a 2
+b
2
2,a +b ≥2ab (其中a >0,b >0,当且仅当a =b 时等号成立).
[点睛] 基本不等式成立的条件:a >0且b >0;其中等号成立的条件:当且仅当a =b 时取等号,即若a ≠b 时,则ab ≠
a +
b 2,即只能有ab <a +b
2
. 预习课本P96~102,思考并完成以下问题
3.设x ,y 为正实数
(1)若x +y =s (和s 为定值),则当x =y 时,积xy 有最大值,且这个值为s 2
4.
(2)若xy =p (积p 为定值),则当x =y 时,和x +y 有最小值,且这个值为2p .
[小试身手]
1.若x >0,则x +4
x 的最小值为________. 解析:∵x >0,∴x +4
x ≥4.
答案:4
2.若x ,y ∈(0,+∞),且x +4y =1,则xy 的最大值是________. 解析:∵x ,y ∈(0,+∞),则1=x +4y ≥4xy ,即xy ≤116,当且仅当x =12,y =18
时等号成立.
答案:
116
3.实数x ,y 满足x +2y =2,则3x +9y 的最小值是________. 解析:利用基本不等式可得 3x +9y =3x +32y ≥23x ·32y =23x
+2y
.
∵x +2y =2,∴3x +9y ≥232=6,
当且仅当3x =32y ,即x =1,y =1
2时取等号.
答案:6
4.给出下面结论: ①若x ∈(0,π),则sin x +
1
sin x
≥2; ②若a ,b ∈(0,+∞),则lg a +lg b ≥2lg a ·lg b ; ③若x ∈R ,则????x +4
x ≥4. 其中正确结论的序号是________.
解析:①因为x ∈(0,π),所以sin x ∈(0,1],所以①成立;②只有在lg a >0,lg b >0,即a >1,b >1时才成立;③????x +4x =|x |+???
?4
x ≥2|x |·???
?4x =4成立. 答案:①③
[典例] (1)已知m =a +1
a -2
(a >2),n =22-b 2(b ≠0),则m ,n 之间的大小关系是________.
(2)若a >b >1,P =lg a ·lg b ,Q =1
2(lg a +lg b ),R =lg a +b 2,则P ,Q ,R 的大小关系
是________.
[解析] (1)因为a >2,所以a -2>0,又因为m =a +1a -2=(a -2)+1
a -2
+2,所以m ≥2(a -2)·1
a -2
+2=4,由b ≠0,得b 2≠0,所以2-b 2<2,n =22-b 2<4,综上可知
m >n .
(2)因为a >b >1,所以lg a >lg b >0, 所以Q =1
2
(lg a +lg b )>lg a ·lg b =P ;
Q =1
2(lg a +lg b )=lg a +lg b =lg ab 所以P [答案] (1)m >n (2)P [活学活用] 已知a ,b ,c 都是非负实数,试比较a 2+b 2+b 2+c 2+c 2+a 2与2(a +b +c )的 大小. 解:因为a 2+b 2≥2ab ,所以2(a 2+b 2)≥(a +b )2, 所以 a 2+b 2≥2 2(a +b ), 同理 b 2+c 2≥ 2 2 (b +c ), c 2+a 2≥ 2 2 (c +a ), 所以 a 2+ b 2+b 2+ c 2+c 2+a 2≥ 2 2 [(a +b )+(b +c )+(c +a )], 即a 2+b 2+b 2+c 2+c 2+a 2≥2(a +b +c ),当且仅当a =b =c 时,等号成立. [典例] 已知a ,b ,c 均为正实数, 求证:2b +3c -a a +a +3c -2b 2b +a +2b -3c 3c ≥3. [证明] ∵a ,b ,c 均为正实数, ∴2b a +a 2b ≥2(当且仅当a =2b 时等号成立), 3c a +a 3c ≥2(当且仅当a =3c 时等号成立), 3c 2b +2b 3c ≥2(当且仅当2b =3c 时等号成立), 将上述三式相加得????2b a +a 2b +????3c a +a 3c +???? 3c 2b +2b 3c ≥6(当且仅当a =2b =3c 时等号 成立), ∴????2b a +a 2b -1+????3c a +a 3c -1+????3c 2b +2b 3c -1≥3(当且仅当a =2b =3c 时等号成立), 即2b +3c -a a +a +3c -2b 2b +a +2b -3c 3c ≥3(当且仅当a =2b =3c 时等号成立). [活学活用] 已知a ,b ,c 为正实数, 且a +b +c =1, 求证:????1a -1????1b -1???? 1c -1≥8. 证明:因为a ,b ,c 为正实数,且a +b +c =1, 所以1 a -1=1-a a = b + c a ≥2bc a . 同理,1 b -1≥2a c b ,1c -1≥2ab c . 上述三个不等式两边均为正, 相乘得????1a -1????1b -1????1c -1≥2bc a ·2ac b ·2ab c =8,当且仅当a =b =c =13 时,取等号. [典例] (1)(2)已知x >0,y >0,且2x +3y =6,求xy 的最大值. (3)已知x >0,y >0,1x +9 y =1,求x +y 的最小值. [解] (1)由lg a +lg b =2可得lg ab =2, 即ab =100,且a >0,b >0, 因此由基本不等式可得a +b ≥2ab =2100 =20, 当且仅当a =b =10时,a +b 取到最小值20. (2)∵x >0,y >0,2x +3y =6, ∴xy =16(2x ·3y )≤16·????2x +3y 22 =16·????622=32, 当且仅当2x =3y , 即x =32,y =1时,xy 取到最大值32. (3)∵1x +9y =1,∴x +y =(x +y )·????1x +9y =1+9x y +y x +9=y x +9x y +10, 又∵x >0,y >0, ∴y x +9x y +10≥2y x ·9x y +10=16, 当且仅当y x =9x y ,即y =3x 时,等号成立. 由????? y =3x ,1x +9y =1, 得????? x =4,y =12, 即当x =4,y =12时,x +y 取得最小值16. [活学活用] (1)已知0 3,求函数y =x (1-3x )的最大值. (2)已知x >54,求函数y =4x -2+1 4x -5的最小值. 解:(1)∵0 3, ∴1-3x >0. ∴y =x (1-3x )=1 3·3x (1-3x ) ≤13????3x +(1-3x )22=112, 当且仅当x =16时,函数y =x (1-3x )取得最大值112. (2)∵x >5 4,∴4x -5>0. ∴y =4x -2+1 4x -5 =4x -5+1 4x -5 +3 ≥2 (4x -5)·1 4x -5 +3=5. 当且仅当4x -5= 1 4x -5 , 即x =3 2 时取等号. ∴当x =3 2 时,y 取最小值为5. [典例] 某单位决定投资3 200元建一仓库(长方体状),高度恒定,它的后墙利用旧墙不花钱,正面用铁栅,每米长造价40元,两侧墙砌砖,每米长造价45元,顶部每平方米造价20元,求: (1)仓库面积S 的最大允许值是多少? (2)为使S 达到最大,而实际投资又不超过预算,那么正面铁栅应设计为多长? [解] (1)设铁栅长为x 米,一堵砖墙长为y 米,而顶部面积为S =xy ,依题意得,40x +2×45y +20xy =3 200, 由基本不等式得 3 200≥240x×90y+20xy =120xy+20xy =120S+20S. 所以S+6S-160≤0,即(S-10)(S+16)≤0, 故S≤10,从而S≤100, 所以S的最大允许值是100平方米, (2)取得最大值的条件是40x=90y且xy=100, 求得x=15,即铁栅的长是15米. [活学活用] 某公司购买一批机器投入生产,据市场分析,每台机器生产的产品可获得的总利润y(单位:万元)与机器运转时间x(单位:年)的关系为y=-x2+18x-25(x∈N*),则当每台机器运转________年时,年平均利润最大,最大值是________万元. 解析:每台机器运转x年的年平均利润为y x=18-? ? ? ? x+ 25 x,而x>0,故 y x≤18-225 =8, 当且仅当x=5时等号成立,此时年平均利润最大,最大值为8万元.答案:58 层级一学业水平达标 1.设x>0,则y=3-3x-1 x的最大值是________. 解析:y=3-3x-1 x=3-? ? ? ? 3x+ 1 x≤3-23x· 1 x=3-23,当且仅当3x= 1 x,即x= 3 3 时取等号. 答案:3-2 3 2.若2x +y =4,则4x +2y 的最小值为________. 解析:4x +2y =22x +2y ≥222x ·2y =222x + y =224=8.当且仅当2x =y =2,即x =1,y =2时等号成立. 答案:8 3.若对于任意x >0,x x 2+3x +1 ≤a 恒成立,则a 的取值范围是________. 解析: x x 2 +3x +1 =13+x +1x ,因为x >0,所以x +1 x ≥2(当且仅当x =1时取等号), 则 1 3+x + 1x ≤13+2=15,即x x 2+3x +1的最大值为1 5, 故a ≥15. 答案:a ≥1 5 4.某公司租地建仓库,每月土地占用费y 1与仓库到车站的距离成反比,而每月库存货物的运费y 2与仓库到车站的距离成正比,如果在距离车站10千米处建仓库,这两项费用y 1和y 2分别为2万元和8万元,那么,要使这两次费用之和最小,仓库应建在离车站________千米处. 解析:设仓库与车站的距离为x 千米,则y 1=k 1 x ,y 2=k 2x . ∴2=k 110,8=k 2·10.∴k 1=20,k 2=45. ∴y =20x +45x . ∵20x +45 x ≥220x ·4 5 x =8, 当且仅当20x =4 5x ,即x =5时取等号. ∴x =5千米时,y 取得最小值. 答案:5 5.已知x >0,y >0,x +2y +2xy =8,则x +2y 的最小值是________. 解析:依题意得(x +1)(2y +1)=9,(x +1)+(2y +1)≥2(x +1)(2y +1)=6,x +2y ≥4,当且仅当x +1=2y +1,即x =2,y =1时取等号,故x +2y 的最小值是4. 答案:4 6.若02ab ,a 2+b 2>2ab ,所以四个数中最大的数应从a +b ,a 2+b 2中选择.而a 2+b 2-(a +b )=a (a -1)+b (b -1).又因为0 所以a (a -1)<0,b (b -1)<0,所以a 2+b 2-(a +b )<0,即a 2+b 2 答案:a +b 7.已知a >0,b >0,若不等式2a +1 b ≥n 2a +b 恒成立,则n 的最大值为________. 解析:因为a >0,b >0,由题知2a +1b ≥n 2a +b ,即????2a +1b ·(2a +b )≥n ,又????2a +1b ·(2a +b )=4+ 2b a +2a b +1=5+????2b a +2a b ≥5+22b a ·2a b =9,当且仅当a =b 时等号成立,故n ≤9.故n 的最大值为9. 答案:9 8.已知x >0,y >0,且2x +1 y =1,若x +2y >m 2+2m 恒成立,则实数m 的取值范围是________. 解析:∵x >0,y >0且2x +1y =1,∴x +2y =(x +2y )·????2x +1y =4+4y x +x y ≥4+24y x ·x y =8,当且仅当4y x =x y ,即x =4,y =2时取等号,∴(x +2y )min =8,要使x +2y >m 2+2m 恒成立,只需(x +2y )min >m 2+2m 恒成立,即8>m 2+2m ,解得-4 答案:(-4,2) 9.已知a >0,b >0,a +b =1,求证:????1+1a ????1+1 b ≥9. 证明:法一:因为a >0,b >0,a +b =1, 所以1+1a =1+a +b a =2+b a ,同理1+1 b =2+a b , 故????1+1a ????1+1 b =????2+b a ????2+a b =5+2????b a +a b ≥5+4=9. 所以????1+1a ????1+1b ≥9??? ?当且仅当a =b =1 2时取等号. 法二:????1+1a ????1+1b =1+1a +1b +1ab =1+a +b ab +1ab =1+2ab ,因为a ,b 为正数,a +b =1, 所以ab ≤????a +b 22=14,于是1ab ≥4,2 ab ≥8, 因此????1+1a ??? ?1+1 b ≥1+8=9 ??? ?当且仅当a =b =12时等号成立. 10.桑基鱼塘是某地一种独具地方特色的农业生产形式,某研 究单位打算开发一个桑基鱼塘项目,该项目准备购置一块1 800平方米的矩形地块,中间挖出三个矩形池塘养鱼,挖出的泥土堆在池塘四周形成基围(阴影部分所示)种植桑树,池塘周围的基围宽均为2米,如图,设池塘所占的总面积为S 平方米. (1)试用x 表示S ; (2)当x 取何值时,才能使得S 最大?并求出S 的最大值. 解:(1)由图形知,3a +6=x , ∴a =x -63 . 则总面积S =????1 800x -4·a +2a ????1 800x -6 =a ????5 400 x -16=x -63????5 400x -16 =1 832-???? 10 800x +16x 3, 即S =1 832-????10 800x +16x 3(x >0). (2)由S =1 832-????10 800x +16x 3, 得S ≤1 832-2 10 800x ·16x 3=1 832-2×240=1 352. 当且仅当10 800x =16x 3 ,此时,x =45. 即当x 为45米时,S 最大,且S 最大值为1 352平方米. 层级二 应试能力达标 1.已知函数f (x )=4x +a x (x >0,a >0)在x =3时取得最小值,则a =________. 解析:由基本不等式性质,f (x )=4x +a x (x >0,a >0)在4x =a x ,即x 2=a 4时取得最小值, 由于x >0,a >0,再根据已知可得a 4 =32,故a =36. 答案:36 2.已知a >0,且b >0,若2a +b =4,则1 ab 的最小值为________. 解析:由题中条件知,1ab =44ab =2a +b 4ab =12b +1 4a ≥2 12b ·1 4a ,当且仅当a =1,b =2时等号成立,故1a 2b 2≥4·12b ·14a ,即1ab ≥1 2 . 答案:1 2 3.已知x >0,y >0,lg 2x +lg 8y =lg 2,则1x +1 3y 的最小值是________. 解析:因为lg 2x +lg 8y =lg 2,所以x +3y =1,所以1x +1 3y =????1x +13y (x +3y )=2+3y x +x 3y ≥4,当且仅当3y x =x 3y ,即x =12,y =1 6 时,取等号. 答案:4 4.已知x >1,则函数y =x +9x x -1的值域为________. 解析:∵x >1,∴x -1>0.∴y =x +9x x -1=x +9x -9+9x -1=x +9+9x -1=x -1+9x -1 +10≥2 x -1·9x -1+10=16,当且仅当x -1=9 x -1 ,即x =4时,y 取最小值16,∴函数y =x +9x x -1 的值域为[16,+∞). 答案:[16,+∞) 5.若正数x ,y 满足x +3y =5xy ,则3x +4y 的最小值为________. 解析:由题知,1y +3x =5,即15y +35x =1,所以3x +4y =(3x +4y )·1=(3x +4y )·????15y +35x =3x 5y +95+45+12y 5x =135+????3x 5y +12y 5x ,因为x ,y >0,由基本不等式得135+3x 5y +12y 5x ≥13 5+236 25 =5,当且仅当3x 5y =12y 5x ,即x =1,y =1 2 时等号成立. 答案:5 6.设x ,y 为实数.若4x 2+y 2+xy =1,则2x +y 的最大值是________. 解析:依题意有(2x +y )2=1+3xy =1+32×2x ×y ≤1+32·????2x +y 22,得5 8(2x +y )2≤1,即 |2x +y |≤ 210 5 . 当且仅当2x =y =105时,2x +y 取最大值2105 . 答案: 210 5 7.已知函数f (x )=lg x (x ∈R +),若x 1>0,x 2>0,比较1 2[f (x 1)+f (x 2)]与f ????x 1+x 22的大小,并加以证明. 证明:∵f (x 1)+f (x 2)=lg x 1+lg x 2=lg(x 1x 2),f ????x 1+x 22=lg x 1+x 22, 又∵x 1>0,x 2>0,∴x 1x 2≤???x 1+x 222 , ∴lg(x 1x 2)≤lg ????x 1+x 222, ∴1 2lg(x 1x 2)≤lg x 1+x 22, 即1 2(lg x 1+lg x 2)≤lg x 1+x 22. ∴1 2[f (x 1)+f (x 2)]≤f ????x 1+x 22. 当且仅当x 1=x 2时,等号成立. 8.已知两正数x ,y 满足x +y =1,求z =????x +1x ????y +1 y 的最小值. 解:z =????x +1x ????y +1y =xy +1xy +y x +x y =xy +1xy +(x +y )2 -2xy xy =2 xy +xy -2,令t =xy ,则0 t 有最小值334,所以当x =y =12时,z 有最小值25 4 . (时间120分钟 满分160分) 一、填空题(本大题共14小题,每小题5分,共70分.将答案填在题中的横线上) 1.不等式x 2<1的解集为________. 解析:x 2<1,则-1 2.若关于x 的不等式mx 2+2x +4>0的解集为{x |-1 m . ∴m =-2. 答案:-2 3.已知一元二次不等式f (x )<0的解集为??????x ?? x <-1或x >12,则f (10x )>0的解集为_____. 解析:因为一元二次不等式f (x )<0的解集为?????? x ?? x <-1或x >12,所以可设f (x )=a (x + 1)·????x -12(a <0),由f (10x )>0可得(10x +1)·????10x -12<0,即10x <12 ,x <-lg 2. 答案:{x |x <-lg 2} 4.原点与点(1,1)有且仅有一个点在不等式2x -y +a >0表示的平面区域内,则a 的取值范围为________. 解析:根据题意,分以下两种情况:①原点(0,0)在该区域内,点(1,1)不在该区域内.则 ????? a >0,a +1≤0无解.②原点(0,0)不在该区域内,点(1,1)在该区域内,则? ???? a ≤0,a +1>0,所以-1 答案:(-1,0] 5.已知x >0,y >0,n >0,nx +y =1,1x +4 y 的最小值为16,则n 的值为________. 解析:因为x >0,y >0,n >0,nx +y =1, 所以1x +4 y =(nx +y )????1x +4y =n +4+y x +4nx y =n +4+2y x ·4nx y =n +4+4n ,当且仅当 y =2nx 时取等号.所以n +4+4n =16,解得n =4. 答案:4 6.在条件???? ? 0≤x ≤2,0≤y ≤2, x -y ≥1. 下,z =(x -1)2+(y -1)2的取值范围是________. 解析:由约束条件作出可行域如图.目标函数表示点(x ,y )与点M (1,1)的距离的开方.由图可知,z 的最小值为点M 与直线x -y =1的距离的平方.即z min = ? ?????|1-1-1|22=12. z 的最大值为点M (1,1)与点B (2,0)的距离的平方: 即z max =(1-2)2+(1-0)2=2. ∴z 的取值范围为????12,2. 答案:????12,2 7.已知a >0,b >0,a ,b 的等比中项是1,且m =b +1a ,n =a +1 b ,则m +n 的最小值是________. 解析:∵a ,b 的等比中项是1,∴ab =1. ∴1a =b ,1 b =a ,又a >0,b >0, ∴m +n =2(a +b )≥4ab =4, 当且仅且a =b =1时取等号. ∴m +n 的最小值是4. 答案:4 8.已知a >0,b >0,则1a +1 b +2ab 的最小值是________. 解析:∵a >0,b >0,∴1a +1 b +2ab ≥2 1ab +2ab =2 ab +2ab ≥22 ab ·2ab =4. (当且仅当a =b 时取等号) 答案:4 9.某校计划招聘男教师x 名,女教师y 名,x 和y 满足约束条件???? ? 2x -y ≥5,x -y ≤2,x <6.则该校 招聘的教师最多是________名. 解析:在坐标平面内画出题中的不等式组表示的平面区域及直 线x +y =0,平移该直线,因为x ∈N ,y ∈N ,所以当平移到经过该平面区域内的整点(5,5)时,相应直线在y 轴上的截距最大,此时x +y 取得最大值,x +y 的最大值是10. 答案:10 10.若实数x ,y 满足x 2+y 2+xy =1,则x +y 的最大值是________. 解析:由x 2 +y 2 +xy =1,得(x +y )2 -xy =1,即xy =(x +y )2 -1≤(x +y )24.所以3 4 (x +y )2≤1, 故-233≤x +y ≤233.当x =y 时“=”成立,所以x +y 的最大值为233 . 答案: 23 3 11.函数f (x )= 2x +1 4x 2+1 (x >0)的最大值为________. 解析:令t =2x +1(t >1), 原式=t t 2-2t +2 =1 t +2t -2 ①, 因为t +2 t ≥22(当且仅当t =2取等号), 所以①式≤1 22-2=2+12,故函数f (x )的最大值为2+12. 答案: 2+1 2 12.在如图所示的锐角三角形空地中, 欲建一个面积最大的内接矩 形花园(阴影部分), 则其边长x 为______(m). 解析:设矩形宽为y ,由三角形相似得:x 40=40-y 40,且x >0,y >0,x <40,y <40?40= x +y ≥2xy ,当且仅当x =y =20时,矩形的面积S =xy 取最大值400. 答案:20 13.已知a ,b 为正数,且直线2x -(b -3)y +6=0与直线bx +ay -5=0互相垂直,则2a +3b 的最小值为________. 解析:依题意得2b -a (b -3)=0,即2a +3 b =1,2a +3b =(2a +3b )????2a +3b =13+6????b a +a b ≥13+6×2b a ×a b =25,当且仅当b a =a b ,即a =b =5时取等号,因此2a +3b 的最小值为25. 答案:25 二、解答题(本大题共6小题,共90分,解答应写出文字说明、证明过程或演算步骤) 15.(本小题满分14分)解不等式组????? 3x -2x -6≤1, 2x 2-x -1>0. 解:3x -2x -6≤1?2x +4 x -6≤0?x ∈[-2,6), 2x 2-x -1>0?(2x +1)(x -1)>0 ?x ∈? ???-∞,-1 2∪(1,+∞), 所以,原不等式组的解为x ∈????-2,-1 2∪(1,6). 16.(本小题满分14分)已知函数f (x )=x 2+ax +6, (1)当a =5时,解不等式f (x )<0; (2)若不等式f (x )>0的解集为R ,求实数a 的取值范围. 解:当a =5时,f (x )=x 2+5x +6, 由f (x )<0,得x 2+5x +6<0. 即(x +2)(x +3)<0. ∴-3 (2)若不等式f (x )>0的解集为R , 则有Δ=a 2-4×6<0, 解得-26 所以实数a 的取值范围是(-26,26). 17.(本小题满分14分)若x ,y 满足约束条件???? ? x +y ≥1,x -y ≥-1, 2x -y ≤2. (1)求目标函数z =12x -y +1 2 的最值; (2)若目标函数z =ax +2y 仅在点(1,0)处取得最小值,求a 的取值范围. 解:(1)作出可行域如图,可求得A (3,4),B (0,1),C (1,0).平 移初始直线12x -y +1 2=0,过A (3,4)取最小值-2,过C (1,0)取最大 值1. 所以z 的最大值为1,最小值为-2. (2)直线ax +2y =z 仅在点(1,0)处取得最小值,由图象可知-1<-a 2