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不等式是高中数学中具有联结和支撑作用的主干知识,它既是中学数学的重要内容,又是学习高等数学的必要基础,因此是高考重点考查的内容之一。
不等式知识点多,覆盖面广,内涵深刻,思想丰富,且应用广泛。它作为研究数学问题的重要工具渗透在数学的方方面面。高考不等式命题常在与函数、数列、解析、向量、三角等知识的交汇处设计,具有较强的综合性,且方法灵活多样。这类问题大多以能力立意,注重基础,着重考查不等式性质、不等式解法、不等式的证明及不等式的综合应用与实际应用等。突出考查等价转化、分类整合、函数与方程、数形结合等数学思想方法,是考查逻辑推理能力的重要素材。
一、典型里题解析
1.三角函数的不等式问题
【例1】当0 【分析】∵00,cosx>0,从而tanx>0,cotx>0.
∴f(x)= 2cos2x+8sin2x2sinxcosx=cotx+4tanx2cotx•4tanx=4.
当且仅当cotx=4tanx ,即tanx=12 时不等式取等号,∴f(x)min=4.
评析与启迪:“均值不等式”是重要内容,它的应用涉及高中数学的各个方面,且常考常新,稍有不慎,就会发生错误,应特别注意“一正、二定值、三等、四同时”是确保准确论证的前提条件。
【例2】三角形ABC的三个内角A、B、C,求当A满足何值时cos+2cosB+C2 取得最大值,并求出这个最大值。
解法1:(转化成二次函数问题)由A+B+C=π,得 B+C2=π2-A2,
所以有 cosB+C2=sinA2 .
cosA+2cosB+C2 = cosA+2sinA2 =1-2sin2A2 +2sinA2①=-2(sinA2-12)2+32,
当sinA2 =12,即A=π3时,cosA+2cosB+C2取得最大值为32.
解法2:(利用基本不等式)由解法1,知
cosA+2cosB+C2=1-2sin2A2 +2sinA2 =1+2sinA2 (1-sinA2 )1+2•(sinA2 +1-sinA2 2 )2=32 .
当且仅当sinA2 =1-sinA2,即A=π3时,cosA+2cosB+C2取得最大值为32.
解法3:(用一般函数理论解决三角函数问题)令 f(A)=cosA+2sinA2(0 f′(A)=-sinA+2×12cosA2=cosA2(1-2sinA2),
由f′(A)=0,得A= π3.
当00;当 π3 所以函数F(A)在(0,π3)上是增函数,在(π3,π)上是减函数。
故f(A)max=f(π3)=32.
评析与启迪:本题主要考查三角形中的三角恒等变形。方法1将问题转换为求二次函数在给定区间上的最值,是解决这类问题的一个通法;
方法2注意到sinA2与1-sinA2的和为定值,应用基本不等式,使问题得到整体解决,当然,该方法不易被发现;方法3应用了导数的性质,实际上是解决最值问题的一种基本思路,这里实现了方法上的跨越。
2.数列问题中的不等式
【例3】数列{an}满足 a1=1且an+1=(1+1n2+n)an+12n(n1).
(Ⅰ)用数学归纳法证明: an2(n2);
(Ⅱ)已知不等式ln(1+x)0成立,证明:an (Ⅰ)证明:①当n=2时,a2=22,不等式成立。
②假设当n=k(k2)时不等式成立,即 ak2(k2),
那么ak+1=(1+1k(k+1))ak+12k2.这就是说,当n=k+1时不等式成立。
根据(1)、(2)可知:ak2对所有n2成立。
(Ⅱ)证法1:由递推公式及(Ⅰ)的结论有
an+1=(1+1n2+n)an+12n(1+1n2+n+12n)an. (n1)
两边取对数并利用已知不等式得: lnan+1ln(1+1n2+n+12n)+lnanlnan+1n2+n+12n.故lnan+1-lnan1n(n+1)+12n(n1).
上式从1到n-1 求和可得
lnan-lna111×2+12×3+……+1(n-1)n+12+122+……12n-1=1-12+(12-13)+……+1n-1-1n+12•1-12n1-12=1-1n+1-12n<2. 即lnan<2,故an (Ⅱ)证法2:由数学归纳法易证2n>n(n-1)对n2成立,故 an+1=(1+1n2+n)an+12n<[1+1n(n-1)]an+1n(n-1)(n2).令bn=an+1(n2),则bn+1[1+1n(n-1)]bn(n2).取对数并利用已知不等式得: lnbn+1(1+1n(n-1))+lnbnlnbn+1n(n-1)(n2).
上式从2到n求和得:lnbn+1-lnb211×2+12×3+……+1n(n-1) =1-12+12-13+……+1n-1-1n<1.
因 b2=a2+1=3. 故 lnbn+1<1+ln3,bn+1 评析与启迪:与自然数有关的数学命题常用数学归纳法证明,要注意放缩法的恰当使用,其次当数列的递推式形如an+1-an=bn,而数列{bn}的前n项和容易求时,可用“累差法”求得 an=a1+(b1+b2+……+bn-1).
当数列的递推公式形如an+1an=bn,而数列{bn}的前n 项积容易求时,可用“累乘法”求得 an=a1•(b1•b2•……•bn-1).
3.几何问题中的不等式
【例4】已知在△ABC中,∠ACB=90°,BC=3,AC=4,P是AB上的点,则点P到AC、BC的距离乘积的最大值是 .
【分析】如图,设点P到AC、BC的距离分别为x,y,由平面几何知识易得 x3=4-y4,其中x、y 都是正实数,问题转化为在此条件下,求xy 的最大值问题。下面有两条途径可供选择,一是应用基本不等式解之,二是利用二次函数性质求其最大值。
思路1: 由分析知:4x+3y=12,所以,12=4x+3y24x•3y=43xy,即33xy, ,所以, xy3,当且仅当x=32,y=2时,xy 的最大值为3.
思路2:由分析知:4x+3y=12 ,所以,y=12-4x3,所以xy=12-4x3•x=-43x2+4x=-43(x-32)2+3 ,又0 评析与启迪:本题是以平面几何知识为载体的条件不等式问题,解答过程中反映了不等式与函数的自然交汇,体现了函数思想的灵活应用。
【例5】已知函数f(x)=lnx,g(x)=12ax2+bx,a≠0.
(Ⅰ)若b=2,且h(x)=f(x)-g(x)存在单调递减区间,求a的取值范围;
(Ⅱ)设函数f(x)的图象C1与函数g(x)图象C2交于点P、Q,过线段PQ的中点作x轴的垂线分别交C1,C2于点M、N,证明C1在点M处的切线与C2在点N处的切线不平行。
解:(Ⅰ) ,b=2时,h(x)=lnx-12ax2-2x,则h′(x)=1x -ax-2=-ax2+2x-1x.
因为函数h(x)存在单调递减区间,所以h′(x)<0有解。又因为x>0时,则ax2+2x-1>0有x>0的解。
①当a>0时,y=ax2+2x-1为开口向上的抛物线,ax2+2x-1>0总有x>0的解;
②当a<0时,y=ax2+2x-1为开口向下的抛物线,而ax2+2x-1>0总有x>0的解;
则△=4+4a>0,且方程ax2+2x-1=0至少有一正根。此时,-1 综上所述,a的取值范围为(-1,0)∪(0,+∞).
(Ⅱ)证法1:设点P、Q的坐标分别是(x1, y1),(x2, y2),0 则点M、N的横坐标为x=x1+x22,C1在点M处的切线斜率为 k1=1x|x=x1+x22=2x1+x2,
C2在点N处的切线斜率为k2=ax+b |x=x1+x22=a(x1+x2)2+b.
假设C1在点M处的切线与C2在点N处的切线平行,则k1=k2,
即 2x1+x2=a(x1+x2)2+b,则
2(x2-x1x1+x2 =a2(x22-x21)+b(x2-x1)=a2(x22+bx2)-(a2x21+bx1)=y2-y1=lnx2-lnx1.
所以lnx2x1=2(x2x1-1)1+x2x1. 设t=x2x1, 则lnt=2(t-1)1+t,t>1. ①
令r(t)=lnt- 2(t-1)1+t,t>1. 则r′(t)=1t-4(t+1)2=(t-1)2t(t+1)2.
因为t>1 时,r′(t)>0,所以r(t) 在[1,+∞)上单调递增。故 r(t)>r(1)=0.
则lnt>2(t-1)1+t. 这与①矛盾,假设不成立。
故C1在点M处的切线与C2在点N处的切线不平行。
证法2:同证法一得 (x2+x1)(lnx2-lnx1)=2(x2-x1)
因为x1>0 ,所以 (x2x1+1)lnx2x1=2(x2x1-1).
令t=x2x1, 得(t+1)lnt=2(t-1),t>1. ②
令r(t) =(t+1)lnt-2(t-1),t>1,则r′(t)=lnt+1t-1.
因为 (lnt+1t)′=1t-1t2=t-1t2,所以t>1时,(lnt+1t)′>0.
故lnt+1t在[1,+∞)上单调递增。从而lnt+1t-1>0 ,即 r′(t)>0.
于是r(t)在[1,+∞)上单调递增。故 r(t)>r(1)=0. 即(t+1)lnt>2(t-1). 这与②矛盾,假设不成立。 故C1在点M处的切线与C2在点N处的切线不平行。
评析与启迪:本题考查函数的性质、导数的几何意义、不等式等知识以及函数思想、分类整合的思想、化归思想的运用、考查学生逻辑推理、分析问题和解决问题的能力.这里要注意运用导数研究函数的单调性及切线问题,同时要根据情况,适时构造函数,并会用反证法证明问题。
4.函数问题中的不等式
【例6】设函数f(x)=1-xax+lnx 在 [1,+∞)上是增函数。
(1)求正实数a的取值范围;
(2)设b>0,a>1,求证:1a+b<lna+bb 解:(1)f′(x)=ax-1ax20对x∈[1,+∞)恒成立,
∴a 1x在x∈[1,+∞)恒成立,所以a(1x)max=1.
(2)取x= a+bb,Θa>1,b>0,∴a+bb>1,由(1)知在 a>1时, f(x)=1-xax+lnx在 [1,+∞)上是增函数, ∴f(a+bb)>f(1)=0,
∴1-a+bba•a+bb+lna+bb>0,即lna+bb>1a+b ;
设函数G(x)=x-lnx(x>1) ,则 G′(x)=1-1x=x-1x>0(Θx>1),
∴G(x) 在 (1,+∞)上是增函数且在 x=1处连续,又 G(1)=1>0
∴当x>1 时,G(X)>G(1)>0, ∴ x>lnx, 即a+bb>lna+bb.
综上所述, 1a+b<lna+bb 【例7】设 x1,x2是函数f(x)= a3x3+b2x2-a2x(a>0)的两个极值点,且 |x1|+|x2|=2.
(1)证明:0 (2)证明:|b|439.
证明:(1)∵x1,x2是f(x) 的两个极值点,∴x1,x2是f′(x)=ax2+bx-a2=0 的两个根,又,a>0 ,∴ x1,x2=-a<0,x1+x2 =-ba,
∴2=|x1|+|x2|=|x1-x2|=(x1-x2)2=b2a2+4a .即,b2=4a2-4a3,∵ b20 ,∴0 (2) 由(1)可知,应该构造三次函数g(x)=4a2-4a3(0 评析与启迪:函数的最值与极值命题的热点是函数、方程、不等式的融合,解决此类问题必须有扎实的基本功和基本思想方法,要熟练一元二次不等式的一般解法、一元二次方程根的判定、二次函数的性质,掌握这三个二次对应关系及内在联系。
二、命题趋势与复习建议
高考中对不等式的考查主要体现在解不等式和证明不等式。其中解不等式是基本问题,难度中等,求解思路常规、简单,但是,必须抓细节确保成功;不等式的证明比较灵活,它可以和众多内容交汇融合,不仅要用到不等式的性质、不等式证明的方法和技巧,还需要一定的综合能力。
虽然高考并不追求知识点的覆盖面,但是考前复习必须点点落实、不留死角,要结合考试说明对每个知识点的要求,精读课本,掌握各部分内容思想和方法,要辨证地看待“通性”、“通法”,和特殊技巧,在掌握解题基本思想、基本方法上很下工夫。牢固掌握不等式的基础知识,深入理解不等式的性质、解法及证明,熟练掌握简单的绝对值不等式、简单的一元二次不等式、简单的分式不等式的解法,掌握比较法、综合法、分析法数学归纳法证明简单的不等式
加强与其它知识的联系,注重不等式与函数、数列、解析、向量、三角等知识的融合。特别要认识不等式与函数、方程之间的相关知识的联系,熟练掌握以函数知识为主、方程和不等式知识为辅、函数思想为灵魂、数形结合方法和导函数等若干方法为手段的解题策略。
(编校:吴春燕)
不等式知识点多,覆盖面广,内涵深刻,思想丰富,且应用广泛。它作为研究数学问题的重要工具渗透在数学的方方面面。高考不等式命题常在与函数、数列、解析、向量、三角等知识的交汇处设计,具有较强的综合性,且方法灵活多样。这类问题大多以能力立意,注重基础,着重考查不等式性质、不等式解法、不等式的证明及不等式的综合应用与实际应用等。突出考查等价转化、分类整合、函数与方程、数形结合等数学思想方法,是考查逻辑推理能力的重要素材。
一、典型里题解析
1.三角函数的不等式问题
【例1】当0
∴f(x)= 2cos2x+8sin2x2sinxcosx=cotx+4tanx2cotx•4tanx=4.
当且仅当cotx=4tanx ,即tanx=12 时不等式取等号,∴f(x)min=4.
评析与启迪:“均值不等式”是重要内容,它的应用涉及高中数学的各个方面,且常考常新,稍有不慎,就会发生错误,应特别注意“一正、二定值、三等、四同时”是确保准确论证的前提条件。
【例2】三角形ABC的三个内角A、B、C,求当A满足何值时cos+2cosB+C2 取得最大值,并求出这个最大值。
解法1:(转化成二次函数问题)由A+B+C=π,得 B+C2=π2-A2,
所以有 cosB+C2=sinA2 .
cosA+2cosB+C2 = cosA+2sinA2 =1-2sin2A2 +2sinA2①=-2(sinA2-12)2+32,
当sinA2 =12,即A=π3时,cosA+2cosB+C2取得最大值为32.
解法2:(利用基本不等式)由解法1,知
cosA+2cosB+C2=1-2sin2A2 +2sinA2 =1+2sinA2 (1-sinA2 )1+2•(sinA2 +1-sinA2 2 )2=32 .
当且仅当sinA2 =1-sinA2,即A=π3时,cosA+2cosB+C2取得最大值为32.
解法3:(用一般函数理论解决三角函数问题)令 f(A)=cosA+2sinA2(0 f′(A)=-sinA+2×12cosA2=cosA2(1-2sinA2),
由f′(A)=0,得A= π3.
当00;当 π3 所以函数F(A)在(0,π3)上是增函数,在(π3,π)上是减函数。
故f(A)max=f(π3)=32.
评析与启迪:本题主要考查三角形中的三角恒等变形。方法1将问题转换为求二次函数在给定区间上的最值,是解决这类问题的一个通法;
方法2注意到sinA2与1-sinA2的和为定值,应用基本不等式,使问题得到整体解决,当然,该方法不易被发现;方法3应用了导数的性质,实际上是解决最值问题的一种基本思路,这里实现了方法上的跨越。
2.数列问题中的不等式
【例3】数列{an}满足 a1=1且an+1=(1+1n2+n)an+12n(n1).
(Ⅰ)用数学归纳法证明: an2(n2);
(Ⅱ)已知不等式ln(1+x)
②假设当n=k(k2)时不等式成立,即 ak2(k2),
那么ak+1=(1+1k(k+1))ak+12k2.这就是说,当n=k+1时不等式成立。
根据(1)、(2)可知:ak2对所有n2成立。
(Ⅱ)证法1:由递推公式及(Ⅰ)的结论有
an+1=(1+1n2+n)an+12n(1+1n2+n+12n)an. (n1)
两边取对数并利用已知不等式得: lnan+1ln(1+1n2+n+12n)+lnanlnan+1n2+n+12n.故lnan+1-lnan1n(n+1)+12n(n1).
上式从1到n-1 求和可得
lnan-lna111×2+12×3+……+1(n-1)n+12+122+……12n-1=1-12+(12-13)+……+1n-1-1n+12•1-12n1-12=1-1n+1-12n<2. 即lnan<2,故an
上式从2到n求和得:lnbn+1-lnb211×2+12×3+……+1n(n-1) =1-12+12-13+……+1n-1-1n<1.
因 b2=a2+1=3. 故 lnbn+1<1+ln3,bn+1
当数列的递推公式形如an+1an=bn,而数列{bn}的前n 项积容易求时,可用“累乘法”求得 an=a1•(b1•b2•……•bn-1).
3.几何问题中的不等式
【例4】已知在△ABC中,∠ACB=90°,BC=3,AC=4,P是AB上的点,则点P到AC、BC的距离乘积的最大值是 .
【分析】如图,设点P到AC、BC的距离分别为x,y,由平面几何知识易得 x3=4-y4,其中x、y 都是正实数,问题转化为在此条件下,求xy 的最大值问题。下面有两条途径可供选择,一是应用基本不等式解之,二是利用二次函数性质求其最大值。
思路1: 由分析知:4x+3y=12,所以,12=4x+3y24x•3y=43xy,即33xy, ,所以, xy3,当且仅当x=32,y=2时,xy 的最大值为3.
思路2:由分析知:4x+3y=12 ,所以,y=12-4x3,所以xy=12-4x3•x=-43x2+4x=-43(x-32)2+3 ,又0
【例5】已知函数f(x)=lnx,g(x)=12ax2+bx,a≠0.
(Ⅰ)若b=2,且h(x)=f(x)-g(x)存在单调递减区间,求a的取值范围;
(Ⅱ)设函数f(x)的图象C1与函数g(x)图象C2交于点P、Q,过线段PQ的中点作x轴的垂线分别交C1,C2于点M、N,证明C1在点M处的切线与C2在点N处的切线不平行。
解:(Ⅰ) ,b=2时,h(x)=lnx-12ax2-2x,则h′(x)=1x -ax-2=-ax2+2x-1x.
因为函数h(x)存在单调递减区间,所以h′(x)<0有解。又因为x>0时,则ax2+2x-1>0有x>0的解。
①当a>0时,y=ax2+2x-1为开口向上的抛物线,ax2+2x-1>0总有x>0的解;
②当a<0时,y=ax2+2x-1为开口向下的抛物线,而ax2+2x-1>0总有x>0的解;
则△=4+4a>0,且方程ax2+2x-1=0至少有一正根。此时,-1 综上所述,a的取值范围为(-1,0)∪(0,+∞).
(Ⅱ)证法1:设点P、Q的坐标分别是(x1, y1),(x2, y2),0
C2在点N处的切线斜率为k2=ax+b |x=x1+x22=a(x1+x2)2+b.
假设C1在点M处的切线与C2在点N处的切线平行,则k1=k2,
即 2x1+x2=a(x1+x2)2+b,则
2(x2-x1x1+x2 =a2(x22-x21)+b(x2-x1)=a2(x22+bx2)-(a2x21+bx1)=y2-y1=lnx2-lnx1.
所以lnx2x1=2(x2x1-1)1+x2x1. 设t=x2x1, 则lnt=2(t-1)1+t,t>1. ①
令r(t)=lnt- 2(t-1)1+t,t>1. 则r′(t)=1t-4(t+1)2=(t-1)2t(t+1)2.
因为t>1 时,r′(t)>0,所以r(t) 在[1,+∞)上单调递增。故 r(t)>r(1)=0.
则lnt>2(t-1)1+t. 这与①矛盾,假设不成立。
故C1在点M处的切线与C2在点N处的切线不平行。
证法2:同证法一得 (x2+x1)(lnx2-lnx1)=2(x2-x1)
因为x1>0 ,所以 (x2x1+1)lnx2x1=2(x2x1-1).
令t=x2x1, 得(t+1)lnt=2(t-1),t>1. ②
令r(t) =(t+1)lnt-2(t-1),t>1,则r′(t)=lnt+1t-1.
因为 (lnt+1t)′=1t-1t2=t-1t2,所以t>1时,(lnt+1t)′>0.
故lnt+1t在[1,+∞)上单调递增。从而lnt+1t-1>0 ,即 r′(t)>0.
于是r(t)在[1,+∞)上单调递增。故 r(t)>r(1)=0. 即(t+1)lnt>2(t-1). 这与②矛盾,假设不成立。 故C1在点M处的切线与C2在点N处的切线不平行。
评析与启迪:本题考查函数的性质、导数的几何意义、不等式等知识以及函数思想、分类整合的思想、化归思想的运用、考查学生逻辑推理、分析问题和解决问题的能力.这里要注意运用导数研究函数的单调性及切线问题,同时要根据情况,适时构造函数,并会用反证法证明问题。
4.函数问题中的不等式
【例6】设函数f(x)=1-xax+lnx 在 [1,+∞)上是增函数。
(1)求正实数a的取值范围;
(2)设b>0,a>1,求证:1a+b<lna+bb 解:(1)f′(x)=ax-1ax20对x∈[1,+∞)恒成立,
∴a 1x在x∈[1,+∞)恒成立,所以a(1x)max=1.
(2)取x= a+bb,Θa>1,b>0,∴a+bb>1,由(1)知在 a>1时, f(x)=1-xax+lnx在 [1,+∞)上是增函数, ∴f(a+bb)>f(1)=0,
∴1-a+bba•a+bb+lna+bb>0,即lna+bb>1a+b ;
设函数G(x)=x-lnx(x>1) ,则 G′(x)=1-1x=x-1x>0(Θx>1),
∴G(x) 在 (1,+∞)上是增函数且在 x=1处连续,又 G(1)=1>0
∴当x>1 时,G(X)>G(1)>0, ∴ x>lnx, 即a+bb>lna+bb.
综上所述, 1a+b<lna+bb 【例7】设 x1,x2是函数f(x)= a3x3+b2x2-a2x(a>0)的两个极值点,且 |x1|+|x2|=2.
(1)证明:0 (2)证明:|b|439.
证明:(1)∵x1,x2是f(x) 的两个极值点,∴x1,x2是f′(x)=ax2+bx-a2=0 的两个根,又,a>0 ,∴ x1,x2=-a<0,x1+x2 =-ba,
∴2=|x1|+|x2|=|x1-x2|=(x1-x2)2=b2a2+4a .即,b2=4a2-4a3,∵ b20 ,∴0 (2) 由(1)可知,应该构造三次函数g(x)=4a2-4a3(0 评析与启迪:函数的最值与极值命题的热点是函数、方程、不等式的融合,解决此类问题必须有扎实的基本功和基本思想方法,要熟练一元二次不等式的一般解法、一元二次方程根的判定、二次函数的性质,掌握这三个二次对应关系及内在联系。
二、命题趋势与复习建议
高考中对不等式的考查主要体现在解不等式和证明不等式。其中解不等式是基本问题,难度中等,求解思路常规、简单,但是,必须抓细节确保成功;不等式的证明比较灵活,它可以和众多内容交汇融合,不仅要用到不等式的性质、不等式证明的方法和技巧,还需要一定的综合能力。
虽然高考并不追求知识点的覆盖面,但是考前复习必须点点落实、不留死角,要结合考试说明对每个知识点的要求,精读课本,掌握各部分内容思想和方法,要辨证地看待“通性”、“通法”,和特殊技巧,在掌握解题基本思想、基本方法上很下工夫。牢固掌握不等式的基础知识,深入理解不等式的性质、解法及证明,熟练掌握简单的绝对值不等式、简单的一元二次不等式、简单的分式不等式的解法,掌握比较法、综合法、分析法数学归纳法证明简单的不等式
加强与其它知识的联系,注重不等式与函数、数列、解析、向量、三角等知识的融合。特别要认识不等式与函数、方程之间的相关知识的联系,熟练掌握以函数知识为主、方程和不等式知识为辅、函数思想为灵魂、数形结合方法和导函数等若干方法为手段的解题策略。
(编校:吴春燕)