限定条件下的均值不等式求最值
前言
我们之所以感觉高三或高四很辛苦,除过高中最后一学年是冲刺阶段,任务量大,知识难度大,知识使用灵活,综合程度高,考查频次高,学习强度大这些原因之外,还有一个很重要的原因,就是我们不少学生一直在低效率层次上运转,但愿下面的题组和知识的总结方法,或许能给你一些学习方法和数学思维上启迪。
以 限定条件下的均值不等式使用
为案例作以说明,这本来也是重点和难点;
案例说明
模型详析:均值不等式中有一类常考题型,比如求限定条件下的最值问题,对应的解决方法是:常数代换或乘常数再除常数。
\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}=\cfrac{1}{2}\cdot (2m+3n)(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n})\)
\(=\cfrac{1}{2}\cdot (8+3+\cfrac{2m}{n}+\cfrac{12n}{m})\)
\(\ge \cfrac{1}{2}(11+4\sqrt{6})\)
当且仅当\(\left\{\begin{array}{l}{2m+3n=2}\\{\cfrac{2m}{n}=\cfrac{12n}{m}}\end{array}\right.\)时取到等号;
思维模式:
掌握了上述的模型,就能解决这一类问题了吗,回答是否定的,因为限定条件完全可能会以其他形式给出来。请通过下列的例子自行体会、把握。
✍️ 限定条件以简单变形形式给出
又或已知\(m>0,n>0,\cfrac{1}{n}+\cfrac{3n}{2m}=\cfrac{1}{mn}\),求\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}\)的最小值。
详解:此时只需要将已知条件转化为\(2m+3n=2\),接下来,就转化为上述题目了,你就应该会了。
解后反思:注意数学表达式的等价变形。
✍️ 限定条件以直线的形式给出
详解:则有\(2m+3n=2\),求\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}\)的最小值,又转化为上述问题了。
解后反思:注意其他数学知识的准确应用。
限定条件以线性规划形式给出
详解:做出可行域可知,
当目标直线经过点\((4,5)\)时,函数取得最大值,
即此时题目相当于已知\(4a+5b=10\),求\(\cfrac{5}{a}+\cfrac{4}{b}\)的最小值,不是又转化为上述问题了吗?
解后反思:注意其他数学知识点的准确表达。
限定条件以极限或定积分的形式给出
如已知\(\int_{1}^{2} x\; dx=m+n,m>0,n>0\),求\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}\)的最小值。
详解:你可能不会极限和定积分的运算,但是肯定能知道,运算到最后的结果必然是\(m+n=\)某个确定的值,比如\(m+n=\cfrac{1}{5}\),这样题目就转化为已知\(m+n=\cfrac{1}{5},m>0,n>0\),求\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}\)的最小值,这不就是上述题目吗?
解后反思:注意其他数学知识点的准确计算和表达。
限定条件以二项式系数的形式给出
详解:\((\cfrac{x}{2}+1)^9\)展开式中通项公式为\(T_{r+1}=C_9^r\cdot (\cfrac{x}{2})^{9-r}\cdot 1^r=C_9^r\cdot x^{9-r}\cdot (\cfrac{1}{2})^{9-r}\cdot 1^r\),当\(r=6\)时,含\(x^3\)项的系数为\(C_9^6\cdot (\cfrac{1}{2})^{9-6}=\cfrac{21}{2}\)
到此题目转化为已知\(m+n=\cfrac{21}{2},m>0,n>0\),求\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}\)的最小值。这不就是上述题目吗?
解后反思:注意其他数学知识点的准确计算和表达。
限定条件以数列形式给出
详解:由\(a_7=a_6+2a_5\),得到\(a_5\cdot q^2=a_5\cdot q+2a_5\),解得\(q=2\)或\(q=-1\)(舍去负值),这样由\(a_m\cdot a_n=16a_1^2\),
得到\((a_1)^2\cdot 2^{m-1}\cdot 2^{n-1}=16a_1^2\),即\(2^{m-1}\cdot 2^{n-1}=16=2^4\)
即\(m+n=6,m >0,n >0\),求\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}\)的最小值,这样不就好解多了吗?
解后反思:注意其他数学知识点的准确计算和表达。
限定条件以复合函数形式给出
解析:由\(f(a)=f(b)\),即\(|1-\cfrac{1}{a}|=|1-\cfrac{1}{b}|\),结合\(f(x)\)的图象可知,\(a<1<b\),
故去掉绝对值符号,得到\(\cfrac{1}{a}-1=1-\cfrac{1}{b}\),
故得到\(\cfrac{1}{a}+\cfrac{1}{b}=2\),且\(0<a<1<b\),
则 \(4a+b=\cfrac{1}{2}\times 2 \times(4a+b)=\cfrac{1}{2}\times(\cfrac{1}{a}+\cfrac{1}{b})\times(4a+b)\)
\(=\cfrac{1}{2}(4+1+\cfrac{b}{a}+\cfrac{4a}{b})\geqslant \cfrac{1}{2}(5+2\sqrt{4}=9\),
当且仅当 \(\cfrac{b}{a}=\cfrac{4a}{b}\) 且 \(\cfrac{1}{a}+\cfrac{1}{b}=2\) 时,
即 \(a=\cfrac{3}{4}\) 且 \(b=\cfrac{3}{2}\) 时取到等号;故 \((4a+b)_{\min}=\cfrac{9}{2}\) .
限定条件以向量形式给出
详解:由三点共线的向量表达方式可知,存在实数\(\lambda\),使得\(\overrightarrow{OA}=\lambda \overrightarrow{OB}+(1-\lambda)\overrightarrow{OC}\),
即\((1,-2)=\lambda(a,-1)+(1-\lambda)(-b,0)\),
即\(\begin{cases}\lambda a-(1-\lambda)b=1\\-\lambda=-2\end{cases}\),
即\(2a+b=1\),这样题目就转化为已知\(2a+b=1,a>0,b>0\),求\(\cfrac{1}{a}+\cfrac{2}{b}\)的最小值,这不就是上述题目吗?
解后反思:注意三点共线的向量表示形式。
限定条件以对数方程的形式给出
详解:由已知条件可知,\(lg2^x+lg2^{3y}=lg2\),即\(lg2^{x+3y}=lg2\),即\(x+3y=1\),到此题目转化为\(x+3y=1,x>0,y>0\),求\(\cfrac{1}{x}+\cfrac{1}{3y}\),不就容易了吗?
解后反思:注意对数的运算性质和运算法则。
限定条件直线过圆心或直线平分圆的形式给出
详解:圆心即\((1,2)\),直线经过圆心,则有\(a+2b-6=0\),即\(a+2b=6\)。
到此,题目为\(a+2b=6,a>0,b>0\),求\(\cfrac{4}{a}+\cfrac{1}{b}\)的最小值。可仿模型解决。
解后反思:注意其他数学知识点的准确计算和表达。
限定条件以概率的形式给出
详解:分析:由题目可知投篮一次得分的均值\(EX=3a+2b=2(a>0,b>0)\),求\(\cfrac{2}{a}+\cfrac{1}{3b}\)的最小值。
解后反思:注意其他数学知识点的准确计算和表达。
限定条件以解三角形和三角形的面积形式给出
详解:由\(\overrightarrow{AB}\cdot \overrightarrow{AC}=2\sqrt{3}\),\(\angle BAC=\cfrac{\pi}{6}\),
故有\(|\overrightarrow{AB}|\cdot |\overrightarrow{AC}|cos\cfrac{\pi}{6}=2\sqrt{3}\),得到\(bc=4\),
所以\(S_{\Delta ABC}=\cfrac{1}{2}bcsin\cfrac{\pi}{6}=1\),
又\(\Delta MBC,\Delta MCA,\Delta MAB\)的面积分别为\(\cfrac{1}{2},x,y\),
故有\(\cfrac{1}{2}+x+y=1\),即\(x+y=\cfrac{1}{2}\)。
到此,题目为已知\(x+y=\cfrac{1}{2},x>0,y>0\),求\(\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{y}\)的最小值。可仿模型解决。
解后反思:注意向量和三角形面积公式的使用。
分析:由 \(S_{\triangle ABC}=S_{\triangle ABD}+S_{\triangle DBC}\) ,即 \(\cfrac{1}{2}ac\sin120^{\circ}\)\(=\)\(\cfrac{1}{2}2a\sin60^{\circ}\)\(+\)\(\cfrac{1}{2}2c\sin60^{\circ}\),
即 \(ac=2a+2c\),即 \(\cfrac{1}{a}+\cfrac{1}{c}=\cfrac{1}{2}\),
然后用乘常数除以常数的思路,\(a+2c=2(a+2c)(\cfrac{1}{a}+\cfrac{1}{c})\),选 \(A\) .
限定条件以导数和极值的形式给出
详解:\(f'(x)=-3x^2+4ax+b\),\(f'(1)=-3+4a+b=0\),到此即相当于已知\(4a+b=3,a>0,b>0\),求\(\cfrac{4}{a}+\cfrac{1}{b}\)的最小值。
解后反思:注意导数的运算。
限定条件以正态分布的形式给出
详解:由正态分布图像的对称性可知,\(m+n=\cfrac{1}{2}\)
到此,题目转化为已知\(m+n=\cfrac{1}{2}\),\(m >0,n >0\),求$ \cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}$的最小值。仿模型求解即可。
解后反思:注意正态分布的知识点的应用。
限定条件以函数在点处的切线斜率的形式给出
详解:由题目可知,\(f'(1)=2a+b=2\),即已知\(2a+b=2,a >0,b >0\),求\(\cfrac{4}{a}+\cfrac{1}{b}\)的最小值,仿模型求解。
解后反思:注意导数的几何意义。
限定条件以函数的性质的形式给出
详解:函数\(f(x)\)为奇函数,\(f'(x)=2-cosx>0\),故增函数,故\(f(a)+f(2b-1)=0\),即\(f(a)=-f(2b-1)=f(1-2b)\),即转化为\(a+2b=1\),
到此,转化为已知\(a+2b=1\),\(a>0,b>0\),求\(\cfrac{4}{a}+\cfrac{1}{b}\)的最小值。
解后反思:注意抽象函数的性质的应用。
限定条件以隐含条件的形式给出
详解:注意到隐含条件\(x+(2-x)=2,x>0,2-x>0\),则容易看到题目其实为已知\(x+(2-x)=2\),\(x>0,2-x>0\),求\(f(x)=\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{2-x}(0<x<2)\)的最小值。
\(f(x)=\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{2-x}\)
\(=\cfrac{1}{2}(\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{2-x})\times 2\)
\(=\cfrac{1}{2}(\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{2-x})[x+(2-x)]\)
\(=\cfrac{1}{2}(1+4+\cfrac{2-x}{x}+\cfrac{4x}{2-x})\),
\(\ge \cfrac{1}{2}(5+2\sqrt{4})=\cfrac{9}{2}\),
当且仅当\(\cfrac{2-x}{x}=\cfrac{4x}{2-x}\)且\(0< x <2\)时,
即 \(x=\cfrac{2}{3}\) 时取得等号。
故\(f(x)\)的最小值为\(\cfrac{9}{2}\)。
【扩展引申题目,核心还是上述题目】求\(f(x)=\cfrac{x+1}{x}+\cfrac{6-x}{2-x}(0<x<2)\)的最小值。
分析:\(f(x)=1+\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{2-x}+1\) \(=2+\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{2-x}\)
解后反思:此处相当于\(x=a,2-x=b,a+b=2\;\;\),求\(f(x)=\cfrac{1}{x}+\cfrac{4}{2-x}=\cfrac{1}{a}+\cfrac{4}{b}\)
思路补记:当然,本题目也可以通分转化分式型函数求最值,这也是很常用的思路, 请参阅 配凑法
限定条件不直接给出+拼凑项
详解:函数\(f(x)\)为奇函数,增函数,故\(f(a)+f(2b-1)=0\),即\(f(a)=-f(2b-1)=f(1-2b)\),即转化为\(a+2b=1\),到此,转化为已知\(a+2b=1\),\(a>0,b>0\),再变形为\((a+1)+(2b+1)=3\),即最后转化为已知\((a+1)+(2b+1)=3\),\(a>0,b>0\),求\(\cfrac{4}{a+1}+\cfrac{1}{2b+1}\)的最小值。
解后反思:本题目和例16相比较,仅仅多了一步拼凑系数的变形。
利用点线距的形式给出
详解:分析:自行做出示意图,结合题目条件,我们可以知道圆心到直线的点线距为\(d=\cfrac{1}{2}\),
即\(d=\cfrac{1}{2}=\cfrac{|\sqrt{2}a\times 0+b\times0-1|}{\sqrt{2a^2+b^2}}\),即\(2a^2+b^2=4\),
到此题目转化为已知\(2a^2+b^2=4\),求\(\cfrac{1}{a^2}+\cfrac{2}{b^2}\)的最小值问题。
利用乘常数除常数的方法解决即可。
新题补充
分析:由题目可知,\(f'(x)=\cfrac{1}{x+1}+2x-a\),又\(f'(0)=b\),即\(1-a=b\),则有\(a+b=1\),
则\(\cfrac{2}{a}+\cfrac{1}{2b}=(a+b)(\cfrac{2}{a}+\cfrac{1}{2b})=2+\cfrac{1}{2}+\cfrac{2b}{a}+\cfrac{a}{2b}\geqslant \cfrac{5}{2}+2=\cfrac{9}{2}\),
当且仅当\(a=2b\)时取到等号,即\(a=\cfrac{2}{3}\),\(b=\cfrac{1}{3}\)时取得等号。故选\(B\)。
分析:相当于已知\(4a+5b=40\),求\(\cfrac{1}{a}+\cfrac{1}{b}\)的最小值,提示:\(\cfrac{9}{40}+\cfrac{\sqrt{5}}{10}\)。
(1)求不等式\(f(x)<8\)的解集;
提示:分区间讨论法,转化为分段函数不等式求解,解集\((-3,1)\)。
(2)若\(a>0\),\(b>0\),且方程\(f(x)=3a+2b\)有且仅有一个实数根,求\(\cfrac{9}{2a+b}+\cfrac{4}{a+b}\)的最小值;
分析:由(1)可知,\(f(x)=\left\{\begin{array}{l}{-3x-1,x\leqslant -2}\\{x+7,-2<x<3}\\{3x+1,x\geqslant 3}\end{array}\right.\)
故函数\(f(x)\)在\((-\infty,-2)\)上单调递减,在\([-2,+\infty)\)上单调递增,
由于方程\(f(x)=3a+2b\)有且仅有一个实数根,故可知\(3a+2b=f(-2)=5\),
[备注:此时\(3a+2b\)理解为一个整体,比如\(3a+2b=m\),即方程\(f(x)=m\)有且仅有一个根,即函数\(y=f(x)\)与\(y=m\)仅有一个交点。]
即\((2a+b)+(a+b)=5\),且\(a>0\),\(b>0\),求\(\cfrac{9}{2a+b}+\cfrac{4}{a+b}\)的最小值;
\(\cfrac{9}{2a+b}+\cfrac{4}{a+b}=\cfrac{1}{5}(\cfrac{9}{2a+b}+\cfrac{4}{a+b})\times 5\)
\(=\)\(\cfrac{1}{5}(\cfrac{9}{2a+b}+\cfrac{4}{a+b})\bigg[(2a+b)+(a+b)\bigg]\)
\(=\cfrac{1}{5}\bigg[9+4+\cfrac{9(a+b)}{2a+b}+\cfrac{4(2a+b)}{a+b}\bigg]\)
\(\geqslant \cfrac{13}{5}+\cfrac{1}{5}\times 2\sqrt{\frac{9(a+b)}{2a+b}\times \frac{4(2a+b)}{a+b}}\)
\(=\cfrac{13}{5}+\cfrac{12}{5}=5\)
当且仅当\(\cfrac{9(a+b)}{2a+b}=\cfrac{4(2a+b)}{a+b}\),即\(a=b=1\)时取等号。
故\(\cfrac{9}{2a+b}+\cfrac{4}{a+b}\)的最小值为\(5\).
分析:点\(A(-2,-1)\)满足直线方程,故得到\(2m+n=4\),即\(2(m+1)+n=6\),
故\(\cfrac{1}{m+1}+\cfrac{2}{n}=\cfrac{1}{6}\times [2(m+1)+n](\cfrac{1}{m+1}+\cfrac{2}{n})=\cdots \geqslant \cfrac{4}{3}\),
然后验证等即可,故所求的最小值为\(\cfrac{4}{3}\)。
解后反思:总结了以上的类型后,够不够用呢?
【模型1】:已知\(2m+3n=2,m>0,n>0\),求\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}\)的最小值。(给定条件是整式,求分式的最值,常数代换,乘常数再除常数,部分使用均值不等式)
分析如下:\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}=\cfrac{1}{2}\cdot (2m+3n)(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n})=\cfrac{1}{2}\cdot (8+3+\cfrac{2m}{n}+\cfrac{12n}{m})=\cdots\)
【模型2】:已知\(\cfrac{4}{m}+\cfrac{1}{n}=2,m>0,n>0\),求 \(2m+3n\)的最小值。(给定条件是分式,求整式的最值,常数代换,乘常数再除常数,部分使用均值不等式)
【对照1】:已知\(\cfrac{1}{a}+\cfrac{2}{b}=1,a>0,b>0\),求 \(\cfrac{2}{a-1}+\cfrac{1}{b-2}\)的最小值。(给定条件是分式,求分式的最值,变量集中,再使用均值不等式)
【对照2】:已知\(2a+b=1,a>0,b>0\),求 \(a^2+2b^2\)的最小值。(给定条件是整式,求整式的最值,变量集中,用函数求解最值)
看完这些内容,你难道不觉得我们很需要好好的改造我们的学习方法吗,比如说留意限定条件的各种可能的给出方式;