[2020高考理数复习江苏]第七章 不等式 第5讲

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第5讲不等式的综合应用
考试要求 1.掌握解决不等式综合问题的方法(C级要求);2.不等式恒成立问题涉及一元二次不等式、线性规划、基本不等式,解决问题的本质是转化成求最值问题.
知识梳理
1.涉及多个变量的求最值问题常借助消元法、整体代换法等转化为二次函数求最值或利用线性规划、基本不等式等解决最值问题.
2.(1)恒成立问题转化成最值处理
a>f(x)对x∈D恒成立⇔a>f(x)max,
a<f(x)对x∈D恒成立⇔a<f(x)min.
(2)恒成立问题处理方法:
图象法、最值法、参变分离法、变换主元法等.
(3)不等式的恒成立、能成立、恰成立问题
①恒成立问题:若f(x)在区间D上存在最小值,则不等式f(x)>A在区间D上恒成立⇔f(x)min>A(x∈D);
若f(x)在区间D上存在最大值,则不等式f(x)<B在区间D上恒成立⇔f(x)max<B(x∈D).
②能成立问题:若f(x)在区间D上存在最大值,则在区间D上存在实数x使不等式
f (x )>A 成立⇔f (x )max >A (x ∈D );
若f (x )在区间D 上存在最小值,则在区间D 上存在实数x 使不等式f (x )<B 成立⇔f (x )min <B (x ∈D ).
③恰成立问题:不等式f (x )>A 恰在区间D 上成立⇔f (x )>A 的解集为D ; 不等式f (x )<B 恰在区间D 上成立⇔f (x )<B 的解集为D .
3.不等式常与其他知识交汇命题,是求解数学问题的一个重要载体.
诊 断 自 测
1.函数y =x +4
x (x ≠0)的值域是________. 解析 当x >0时,y =x +4
x ≥2
x ·
4x =4;
当x <0时,y =x +4x =-⎣⎢⎡⎦⎥⎤
(-x )+⎝ ⎛⎭⎪⎫-4x ≤
-2(-x )·⎝ ⎛⎭⎪⎫
-4x =-4. 答案 (-∞,-4]∪[4,+∞)
2.(必修5P98练习2(2)改编)若正数a ,b 满足ab =a +b +3,则ab 的取值范围是________.
解析 由a ,b ∈R *,得a +b ≥2ab ,则ab =a +b +3≥2ab +3,即ab -2ab -3≥0⇒(ab -3)(ab +1)≥0⇒ab ≥3,∴ ab ≥9. 答案 [9,+∞)
3.设x ∈R ,f (x )=⎝ ⎛⎭⎪⎫12|x |
,若不等式f (x )+f (2x )≤k 对于任意的x ∈R 恒成立,则实数k 的
取值范围是________.
解析 不等式化为k ≥⎝ ⎛⎭⎪⎫12|x |
+⎝ ⎛⎭⎪⎫12|2x |
,因为⎝ ⎛⎭⎪⎫
12|x |
∈(0,1],所以k ≥2.
答案 [2,+∞)
4.(2019·海安中学阶段检测)设m >0,n >0,2m +n =1,则4m 2+n 2+mn 的最大值与最小值之和为________.
解析 由m >0,n >0,2m +n =1得1≥22mn ,即0<mn ≤2
4,4m 2+n 2+mn =(2m +
n )2
-4mn +mn =-4mn +mn +1=-4⎝ ⎛

⎪⎫mn -182+1716,当mn =18时,4m 2+n 2+
mn 取得最大值1716;当mn =24时,4m 2+n 2+mn 取得最小值12+2
4,所以最大值与最小值之和为1716+12+24=25+42
16. 答案
25+4216
5.设y =(log 2x )2+(t -2)log 2x -t +1,若t 在[-2,2]上变化时y 恒取正值,则实数x 的取值范围为________.
解析 设f (t )=y =(log 2x -1)t +(log 2x )2-2log 2x +1, t ∈[-2,2], 问题转化为:f (t )>0对t ∈[-2,2]恒成立
⇔⎩⎪⎨⎪⎧f (-2)>0,f (2)>0⇔⎩⎪⎨⎪⎧(log 2x )2-4log 2x +3>0,
(log 2x )2-1>0
⇒0<x <1
2或x >8.
故实数x 的取值范围是⎝ ⎛

⎪⎫0,12∪(8,+∞).
答案 ⎝ ⎛⎭
⎪⎫0,12∪(8,+∞)
考点一 多元最值问题
【例1】 (1)已知△ABC 的三边长分别为a ,b ,c ,且满足b +c ≤3a ,则c
a 的取值范围为
________.
(2)设a ,b ,c 均为正数,满足a -2b +3c =0,则b 2
ac 的最小值是________.
解析
(1)由已知及三角形三边关系得⎩⎪⎨⎪
⎧a <b +c ≤3a ,a +b >c ,a +c >b ,
∴⎩⎪⎨⎪⎧1<b a +c
a ≤3,
1+b a >c
a ,
1+c a >b a ,
∴⎩⎪⎨⎪⎧1<b a +c a ≤3,
-1<c a -b a <1,
两式相加得0<2×c a <4, ∴c
a 的取值范围为(0,2). (2)∵a -2
b +3
c =0,∴b =a +3c
2,
∴b 2ac =a 2+9c 2
+6ac 4ac
≥6ac +6ac 4ac =3,
当且仅当a =3c 时取“=”. 答案 (1)(0,2) (2)3
规律方法 处理多元最值问题要具有较强的技巧,且方法灵活多变.在求解与不等式有关的多元最值问题时,常通过消元思想化三元为二元,即减少变量;也可运用线性规划、基本不等式、二次函数的判别式等进行求解.
【训练1】 (1)若正数a ,b 满足1a +1b =1,则1a -1+9b -1的最小值是________.
(2)已知a ,b 为正实数,且a +b =2,那么a 2+2a +b 2
b +1
的最小值为________.
解析 (1)∵正数a ,b 满足1a +1b =1,∴b =a a -1>0,解得a >1.同理可得b >1,∴1
a -1+
9b -1=1a -1+9a a -1-1=1
a -1
+9(a -1)≥21a -1·9(a -1)=6,当且仅当1
a -1
=9(a -1),即a =4
3时等号成立,∴最小值为6. (2)∵b =2-a ,0<a <2,
∴a 2+2a +b 2b +1=a 2+2a +(2-a )23-a
=a +2a +1-a +13-a =1+2a +1
3-a
=1+13(a +3-a )⎝ ⎛⎭⎪⎫2a
+13-a =1+13⎣⎢⎢⎡⎦⎥⎥⎤3+a 3-a +2(3-a )a ≥2+1
3·2
a 3-a
·2(3-a )a =2+22
3.
当且仅当a
3-a =2(3-a )a ,即a =6-32,
b =32-4时取得等号. 答案 (1)6 (2)2+22
3 考点二 不等式恒成立问题 角度1 线性规划恒成立问题
【例2-1】 已知实数x ,y 满足条件⎩⎨⎧x -y ≤0,
x +y -5≥0,y -3≤0.
若不等式m (x 2+y 2)≤(x +y )2 恒
成立,则实数m 的最大值是________.
解析 ∵m (x 2+y 2)≤(x +y )2恒成立,则m ≤x 2
+2xy +y 2
x 2+y 2=1+2⎝ ⎛⎭⎪⎫y x 1+⎝ ⎛⎭

⎫y x 2=1+2
k +1k ,其中k =y x ∈⎣⎢⎡⎦
⎥⎤1,32,当k =32时,1+2k +1k
取最小值为2513,则实数m 的最大值是25
13.
答案 2513
角度2 基本不等式恒成立问题
【例2-2】 已知对满足x +y +4=2xy 的任意正实数x ,y ,都有x 2+2xy +y 2-ax -ay +1≥0,则实数a 的取值范围是________.
解析 x +y +4=2xy ≤2×⎝
⎛⎭⎪⎫x +y 22
,解得x +y ≥4,当且仅当x =y =2时取“=”. ∵(x +y )2-a (x +y )+1≥0, ∴(x +y )+
1
x +y
≥a . ∵(x +y )+
1x +y
≥174,则a ≤174. 答案 ⎝ ⎛
⎦⎥⎤-∞,174
角度3 绝对值不等式问题
【例2-3】 已知f (x )=x ||x -a -2,若当x ∈[]0,1时,恒有f (x )<0,求实数a 的取值范围.
解 (ⅰ)当x =0时,显然f (x )<0成立,此时a ∈R . (ⅱ)当x ∈(]0,1时,由f (x )<0, 可得x -2x <a <x +2x ,
令 g (x )=x -2x ,(x ∈(]0,1);h (x )=x +2
x (x ∈(]0,1),
则g ′(x )=1+2
x 2>0,∴g (x )是单调递增,可知[]g (x )max =g (1)=-1, h ′(x )=1-2
x 2<0,∴h (x )是单调递减,可知[]h (x )min =h (1)=3, 此时a 的范围是(-1,3).
综合(ⅰ)(ⅱ)得a 的范围是(-1,3). 角度4 高次不等式恒成立问题
【例2-4】 已知f (x )=-x 3
+ax ,其中a ∈R ,g (x )=-12x 3
2,且f (x )<g (x )在x ∈(]
0,1上恒成立,求实数a 的取值范围. 解 f (x )<g (x )在x ∈(]0,1上恒成立 ⇔-x 3+ax +12x 3
2<0 对x ∈(]0,1恒成立 ⇔ a <x 2-1
2x 12对x ∈(]0,1恒成立
设h (x )= x 2-12x 1
2,x ∈(]0,1, 问题转化为:a <h (x ) min h ′(x )=2x -
14x

()2
x -1·()
4x +2x +14x
由h ′(x )=0,得x =1
4,
当x ∈⎝ ⎛⎭⎪⎫0,14时,h ′(x ) <0,h (x )在⎝ ⎛
⎭⎪⎫0,14递减.
当x ∈⎝ ⎛⎦⎥⎤14,1时,h ′(x ) >0,h (x )在⎝ ⎛⎦
⎥⎤
14,1递增.
∴ h (x )在x =14时取最小值,h (x ) min =-3
16,
∴a <-316.即a 的取值范围是⎝ ⎛

⎪⎫-∞,-316.
规律方法 1.不等式恒成立问题可与一元一次不等式、一元二次不等式、线性规划问题、基本不等式问题、绝对值不等式问题等综合命题. 2.(1)当f (x )含有绝对值时,先去掉绝对值号,
(2)这种思路是:首先是——分离变量,其次用——极端值原理.把问题转化为求函数的最值,若f (x )不存在最值,可求出f (x )的范围,问题同样可以解出.
【训练2】 (2019·海安中学阶段检测)设函数f (x )=x 2+bx +c (b ,c ∈R )对任意的x ∈R ,都有f ′(x )≤f (x )成立.若对满足题设条件的任意b ,c ,不等式f (c )-f (b )≤m (c 2-
b 2)恒成立,则实数m 的最小值为________.
解析 函数f (x )=x 2+bx +c (b ,c ∈R )对任意的x ∈R ,都有f ′(x )≤f (x )成立,即x 2+(b -2)x +c -b ≥0恒成立,则Δ=(b -2)2
-4(c -b )≤0,c ≥b 24+1,则c ≥1,且c ≥2
b 2
4
=|b |.当c =|b |时,由c ≥b 2
4+1可得c =|b |=2,此时f (c )-f (b )=-8或0,不等式f (c )-
f (b )≤m (c 2
-b 2
)恒成立;当c >|b |时,m ≥
f (c )-f (b )
c 2
-b
2

c 2-b 2+bc -b 2
c 2
-b
2

c +2b c +b
,
令t =b c ,-1<t <1,则c +2b c +b =2-1t +1∈⎝ ⎛
⎭⎪⎫-∞,32,所以m ≥32,m 的最小值为32. 答案 3
2
考点三 不等式与函数、三角、向量等知识的结合
【例3】 在△ABC 中,角A ,B ,C 所对的边分别为a ,b ,c ,若B =C 且7a 2+b 2+c 2=43,则△ABC 面积的最大值为________.
解析 如图,在△ABC 中,设D 为BC 的中点,则AD ⊥BC .
法一 由题知b =c , 则7a 2+2b 2=43, 所以b 2=23-72a 2, 所以△ABC
的面积
S =12a
b 2
-a 24=12a
23-15a 24=12
415·154a 2·23-15a 24
≤115
·154a 2+23-15a 242=
55, 当且仅当154a 2=23-15
4a 2,
即a 2=4315时取等号,
所以△ABC 的面积最大值为5
5. 法二 设BD =CD =m ,AD =n , 则由已知得7(2m )2+2(m 2+n 2)=43, 所以15m 2+n 2=23≥215mn ,
所以mn ≤5
5,当且仅当15m 2=n 2时取等号,
此时m 2=315,所以△ABC 面积的最大值为5
5.
答案 5
5
规律方法 不等式作为一种工具,通常与函数、三角、向量等知识综合命题.利用不等式求最值的方法求解各类最值及参数问题.
【训练3】 (1)不等式2x 2+2mx +m 4x 2+6x +3<1对一切实数x 恒成立,则实数m 的取值范围
为________.
(2)已知f (x )=x 2+2x +a
x >0在x ∈[)1,+∞上恒成立,则实数a 的取值范围为
________.
解析 (1)由4x 2
+6x +3=⎝ ⎛⎭⎪⎫2x +322
+34>0,对一切实数x 恒成立,从而原不等式等价于
2x 2+2mx +m <4x 2+6x +3(x ∈R ),
即2x 2+(6-2m )x +(3-m )>0对一切实数x 恒成立.
则Δ=(6-2m)2-8(3-m)<0, 解得1<m<3,
故实数m的取值范围是(1,3).
(2)法一∵f(x)=x2+2x+a
x
>0对x∈[)
1,+∞恒成立
⇔x2+2x+a>0对x∈[)
1,+∞恒成立.
设g(x)=x2+2x+a,x∈[)
1,+∞,
问题转化为g(x)min>0,
g(x)=x2+2x+a=(x+1)2+a-1, x∈[)
1,+∞, ∴g(x)在[)
1,+∞上是增函数.
∴g(x)min=g(1)=3+a,
∴ 3+a>0⇔a>-3.
即所求实数a的取值范围为(-3,+∞).
法二∵f(x)=x2+2x+a
x
>0对x∈[)
1,+∞恒成立
⇔x2+2x+a>0 对x∈[)
1,+∞恒成立⇔a>-(x2+2x)对x∈[)
1,+∞恒成立
设φ(x)=-(x2+2x),x∈[)
1,+∞.
问题转化为a>φ(x)max.
φ(x)=-(x2+2x)=-(x+1)2+1,x∈[)
1,+∞. ∴φ(x)在[)
1,+∞上是减函数.
∴φ(x)max=φ(1)=-3,
∴a>-3,
即所求实数a的取值范围为(-3,+∞). 答案(1)(1,3)(2)(-3,+∞)
一、必做题
1.已知常数a>0,函数f(x)=x+
a
x-1
(x>1)的最小值为3,则a的值为________.
解析f(x)=x-1+
a
x-1
+1≥2a+1=3,
则a=1. 答案 1
2.若实数x,y满足x>y>0,且log2x+log2y=1,则x2+y2
x-y
的最小值为________.
解析由log2x+log2y=1,得xy=2,x2+y2
x-y

x2-2xy+y2+2xy
x-y

(x-y)2+4
x-y
=x-
y+4
x-y ≥4,则
x2+y2
x-y
的最小值为4.当且仅当x=3+1,y=3-1时取等号.
答案 4
3.(2018·北京卷改编)设集合A={(x,y)|x-y≥1,ax+y>4,x-ay≤2},则下列结论正确的有________(填序号).
①对任意实数a,(2,1)∈A;
②对任意实数a,(2,1)∉A;
③当且仅当a <0时,(2,1)∉A ; ④当且仅当a ≤3
2时,(2,1)∉A .
解析 若(2,1)∈A ,则⎩⎪⎨⎪⎧2a +1>4,2-a ≤2,解得a >32,所以当且仅当a ≤3
2时,(2,1)∉A ,故填④.
答案 ④
4.(2018·镇江期末)函数y =a sin(ax +θ)(a >0,θ≠0)图象上的一个最高点和其相邻最低点的距离的最小值为________.
解析 函数的周期T 为2πa ,则T 4=π
2a ,最高点和其相邻最低点的距离为2
a 2
+π2
4a 2
=4a 2+π2a 2≥4π=2π. 答案 2π
5.设正项等差数列{a n }的前2 011项和等于2 011,则1a 2+1
a 2 010的最小值为________.
解析 由题意得S 2 011=2011(a 1+a 2 011)
2=2 011,
∴a 1+a 2 011=2.又a 2+a 2 010=a 1+a 2 011=2, ∴1a 2+1a 2 010=12⎝
⎛⎭
⎪⎫1a 2+1a 2 010(a 2+a 2 010) =12⎝ ⎛⎭⎪⎫a 2 010
a 2+a 2a 2 010+1≥2. 答案 2
6.(2018·扬州中学开学考试)已知函数f (x )=(x +m )ln x ,m ∈R ,当x ≠1时恒有(x -1)f ′(x )>0,则关于x 的不等式f (x )<2x -2的解集为________.
解析 由题意得当x =1时,f ′(x )=ln x +x +m
x =0,解得m =-1,不等式f (x )<2x -2可化为(x -1)(ln x -2)<0,解得不等式的解集为(1,e 2). 答案 (1,e 2)
7.已知x >0,y >0,若不等式x 3+y 3≥kxy (x +y )恒成立,则实数k 的最大值为________. 解析 由题设知k ≤
(x +y )(x 2-xy +y 2)
(x +y )xy
,
∴k ≤x 2-xy +y 2xy
=x y +y x -1恒成立.
∵x y +y
x -1≥2-1=1,当且仅当x =y 时“=”成立,从而k ≤1,即k 的最大值为1. 答案 1
8.不等式a 2+8b 2≥λb (a +b )对于任意的a ,b ∈R 恒成立,则实数λ的取值范围为________.
解析 因为a 2+8b 2≥λb (a +b )对于任意的a ,b ∈R 恒成立,所以a 2+8b 2-λb (a +b )≥0对于任意的a ,b ∈R 恒成立,即a 2-λba +(8-λ)b 2≥0恒成立, 由一元二次不等式的性质可知,
Δ=λ2b 2+4(λ-8)b 2=b 2(λ2+4λ-32)≤0, 所以(λ+8)(λ-4)≤0, 解得-8≤λ≤4. 答案 [-8,4]
9.设P (x ,y )为函数y =x 2
-1(x >3)图象上一动点,记m =3x +y -5x -1+x +3y -7
y -2
,则当
m 取最小值时,点P 的坐标为________. 解析 法一 m =3x +x 2-6x -1

x +3x 2-10x 2-3
=6+
x 2-3
x -1+x -1
x 2-3
,因为x >3,所以x 2-3>0,x -1>0, 所以m ≥6+2=8.
当且仅当x 2-3x -1=x -1
x 2-3,即x =2时,m 取得最小值,此时点P 的坐标为(2,3).
法二 m =
3x -3+y -2
x -1

x -1+3y -6
y -2
=6+
y -2
x -1+x -1
y -2
,因为x >3,所以y >2, 所以y -2>0,x -1>0,所以m ≥8.
当且仅当y -2x -1=x -1
y -2时,m 取得最小值,下同法一.
答案 (2,3)
10.已知1≤lg xy ≤4,-1≤lg x y ≤2,求lg x 2
y 的取值范围.
解 由1≤lg xy ≤4,-1≤lg x
y ≤2, 得1≤lg x +lg y ≤4,-1≤lg x -lg y ≤2,
而lg x 2y =2lg x -lg y =12(lg x +lg y )+3
2(lg x -lg y ),
所以-1≤lg x 2
y ≤5,
即lg x 2
y 的取值范围是[-1,5].
11.已知函数f (x )=ln x -14x +3
4x -1,g (x )=-x 2+2bx -4.若对任意的x 1∈(0,2),x 2∈[1,2],不等式f (x 1)≥g (x 2)恒成立,求实数b 的取值范围.
解 问题等价于f (x )在(0,2)上的最小值恒大于或等于g (x )在[1,2]上的最大值. 因为f (x )=ln x -14x +3
4x -1, 所以f (x )的定义域为(0,+∞), 所以f ′(x )=1x -14-34x 2=4x -x 2-3
4x 2. 若f ′(x )>0,则x 2-4x +3<0,解得1<x <3, 故函数f (x )的单调递增区间是(1,3),
同理得f (x )的单调递减区间是(0,1)和(3,+∞), 故在区间(0,2)上,x =1是函数f (x )的极小值点, 这个极小值点是唯一的,故也是最小值点, 所以f (x )min =f (1)=-1
2
.
由于函数g (x )=-x 2+2bx -4,x ∈[1,2]. 当b <1时,g (x )max =g (1)=2b -5; 当1≤b ≤2时,g (x )max =g (b )=b 2-4; 当b >2时,g (x )max =g (2)=4b -8.
故问题等价于⎩⎪⎨⎪⎧b <1,-12≥2b -5,或⎩
⎪⎨⎪
⎧1≤b ≤2,-12≥b 2
-4, 或⎩⎪⎨⎪⎧b >2,-12≥4b -8.解第一个不等式组得b <1,解第二个不等式组得1≤b ≤14
2,第三个不等式组无解.
综上所述,b 的取值范围是⎝ ⎛⎦⎥⎤
-∞,
142. 二、选做题
12.(2018·盐城高三阶段性考试)已知二次函数f (x )=ax 2-4x +c 的值域是[0,+∞),则1a +9
c 的最小值是________. 解析 由题意知,a >0,Δ=16-4ac =0, 即ac =4,且c >0, 则1a +9c ≥2
1a ·9c =3, 当且仅当1a =9c ,即a =2
3,c =6时取等号, 则1a +9
c 的最小值为3. 答案 3
13.已知关于x 的不等式ax 2+(a -2)·x -2≥0,a ∈R . (1)若不等式的解集为(-∞,-1]∪[2,+∞),求实数a 的值;
(2)若不等式ax 2+(a -2)x -2≥2x 2-3对任意x ∈R 恒成立,求实数a 的取值范围; (3)解关于x 的不等式ax 2+(a -2)x -2≥0.
解 (1)因为ax 2+(a -2)x -2≥0的解集为(-∞,-1]∪[2,+∞), 所以方程ax 2+(a -2)x -2=0的两根为x =-1或x =2, 所以-1×2=-2a ,且-1+2=-a -2
a ,解得a =1.
(2)若不等式ax 2+(a -2)x -2≥2x 2-3对任意x ∈R 恒成立,即(a -2)x 2+(a -2)x +1≥0对任意x ∈R 恒成立.因此,①当a =2时,不等式变为1≥0,显然成立;②当a ≠2
时,⎩⎨⎧a -2>0,(a -2)2
-4(a -2)≤0,解得2<a ≤6. 综上,实数a 的取值范围为[2,6].
(3)ax 2+(a -2)x -2≥0⇔(x +1)(ax -2)≥0. 当a =0时,原不等式变形为-2x -2≥0, 解得x ≤-1.
当a ≠0时,ax 2+(a -2)x -2=0的两根为x =-1或x =2
a .
当a >0时,-1<2a ,所以(x +1)(ax -2)≥0⇒x ≤-1或x ≥2
a ;
当a <-2时,-1<a 2,所以(x +1)(ax -2)≥0⇒-1≤x ≤2
a ;
当a =-2时,-1=2
a ,所以(x +1)(ax -2)≥0⇔(x +1)2≤0⇒x =-1;
当-2<a <0时,-1>2a ,所以(x +1)(ax -2)≥0⇒2
a ≤x ≤-1. 综上可得,当a =0时,原不等式的解集为{x |x ≤-1};
当a >0时,原不等式的解集为⎩⎨⎧⎭
⎬⎫
x ⎪⎪⎪x ≤-1或x ≥2a ;
当-2<a <0时,原不等式的解集为⎩⎨⎧⎭
⎬⎫x ⎪⎪⎪2a ≤x ≤-1; 当a =-2时,原不等式的解集为{}x |x =-1;
当a <-2时,原不等式的解集为⎩⎨⎧⎭
⎬⎫
x ⎪⎪⎪-1≤x ≤2a .。

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