对均值不等式求解最值问题中一类典型错误的深究

来源 :数学学习与研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:working_man_1986
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  众所周知,若a,b∈R+,则a+b2≥ab,(当且仅当a=b时取等号)称为均值不等式.均值不等式具有将“和式”与“积式”相互转化的功能,应用比较广泛,尤其是运用它求函数最值更是高考中的热点内容.利用均值不等式求最值必须满足三个条件,即“一正、二定、三相等”,这三条缺一不可,然而在实际的教学中,学生对“定”的理解始终不够透彻,甚至因此经常出错.举列如下:
  题目 已知x>0,求y=2x+1x2的最小值.
  解 ∵x>0,∴y=2x+1x2≥22x•1x2=22x.
  当且仅当2x=1x2,即x=2-13时取等号,
  此时ymin=222-13=253.
  对于上述解答的错误之处,绝大多数教师的解释是:运用均值不等式放缩过程中,没有同时满足“一正、二定、三相等”三个条件中的“定”,故解答错误!对于这样停留在表象上的解释学生并未心悦诚服.古人云:“知其然,还要知其所以然”.
  其实,上述解答运用均值不等式进行放缩本身并没问题,只是最后一步下结论出错.当x=2-13时代入原函数,可求得y=222-13=253,不妨设P2-13,253,为了更直观的研究问题,我们不妨借助图形来分析:
  ①“当且仅当x=2-13时,2x+1x2=22x”即点P是y=2x+1x2(x>0)与y=22x两个函数图像的唯一公共点;
  ②“当x≠2-13时,2x+1x2>22x”即除去点P外,y=2x+1x2的图像都在y=22x图像的上方.
  设f(x)=2x+1x2,求导f′(x)=2-2x3=2(x-1)(x2+x+1)x3.
  当x∈(0,1)时,f′(x)<0,则f(x)单调递减;
  当x∈(1,+∞)时,f′(x)>0,则f(x)单调递增;于是x=1时,f(x)极小值=3.
  设g(x)=22x,则g′(x)=-2x-32.
  当x∈(0,+∞)时,g′(x)<0,则g(x)单调递减.
  又f′(2-13)=g′(2-13)=2,则y=f(x)与y=g(x)在点P(2-13,253)处的切线斜率相等,因而切线必重合,故y=f(x)与y=g(x)图像切于点P.
  由以上的分析,我们不难得到它们在同一坐标系中的图像,如图所示,从图形可以直观看出点P并不是函数y=2x+1x2(x>0)图像的最低点,即y=253只是切点处的函数值,并不是函数y=2x+1x2(x>0)的最小值.
  大家知道,原题运用三个数的均值不等式可以如下解答:
  ∵x>0,则y=2x+1x2=x+x+x-2≥3•3x•x•x-2=3.
  当且仅当x=1x2,即x=1时ymin=3.事实上函数y=2x+1x2(x>0)的图像与直线y=3切于点M(1,3),除去切点M外,y=2x+1x2(x>0)的图像均在直线y=3的上方,故ymin=3.
   由以上分析可知,用均值不等式得求函数最值时,不等号两边的函数在平面直角坐标系中对应的图像是相切的,切点的横坐标即为取等号时自变量的值,只有当不等号右边是常数时切点才为图像的最低点,切点的纵坐标才为函数的最小值.
   在平常的学习中,大家对所犯的错误既要“知其然”,更要力求“知其所以然”.通过对一些典型错误的深入剖析,既有助于加深对错误本质的理解,更有助于养成科学、严谨的治学态度.
  
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