数学学案:例题与探索三个正数的算术—几何平均不等式.docxVIP

数学学案:例题与探索三个正数的算术—几何平均不等式.docx

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学必求其心得,业必贵于专精

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典题精讲

【例1】已知x∈R+,求函数y=x(1-x2)的最大值.

思路分析:为使数的“和”为定值,可以先平方,即y2=x2(1—x2)2=x2(1-x2)(1—x2)=2x2(1—x2)(1—x2)×.最先求出最值后再开方.

解:∵y=x(1—x2),

∴y2=x2(1—x2)2=2x2(1-x2)(1-x2)·.

∵2x2+(1—x2)+(1-x2)=2,

∴y2≤.

当且仅当2x2=1—x2=1-x2,即x=时取“=号。

∴y≤.∴y的最大值为.

黑色陷阱:拼凑数学结构,以便能利用均值不等式求最值,是必须掌握的一种解题方法,但拼凑要合理,且要符合适用的条件,对于本题,有的学生可能这样去拼凑:

y=x(1-x2)=x(1-x)(1+x)=·x(2-2x)(1+x)≤3

=。

虽然其中的拼凑过程保证了三个数的和为定值,但忽略了取“=号的条件,显然x=2—2x=1+x无解,即无法取“=号,也就是说,这种拼凑法是不对的.这就要求平时多积累一些拼凑方法的题型及数学结构,同时注意均值不等式的使用条件,三个缺一不可.

【变式训练1】θ为锐角,求y=sinθ·cos2θ的最大值.

思路分析:本题的目标函数为积结构,故应创设各因子的和为定值.要特别注意sin2θ+cos2θ=1的应用.

解:y2=sin2θ·cos2θ·cos2θ=·2sin2θ(1—sin2θ)(1-sin2θ)

≤()3=。

当且仅当2sin2θ=1-sin2θ,即sinθ=时取等号.

此时ymax=。

【变式训练2】已知x∈R+,求函数y=x2(1-x)的最大值。

思路分析:本题积结构中x2=x·x,所以y=x2(1—x)=x×x(1-x),为使“和”为定值,还需拼凑系数。

解:y=x2(1-x)=x·x(1-x)=x·x·(2—2x)×

≤。

当且仅当x=2-2x,即x=时取等号.

此时,ymax=.

【例2】已知n是大于1的自然数,求证:

2n〉1+.

思路分析:2n1+等价于2n—1〉①

根据等比数列的前n项和公式逆向联想到

2n—1==1+2+22+…+2n-1。

即①式也可表示为n个不同的数1,2,22,…,2n—1之积,因此自然联想到;如果正好等于这几个正数之积的n次算术根,则①即可由均值不等式证得。

证明:∵2n—1=1+2+22+…+2n—1,

∴2n1+.

绿色通道:在使用均值不等式的题目中,尤其对于n个正数的均值不等式,能够分析或观察到是n个正数的均不等式问题是解答的关键,这也需要对提供的条件代数式进行适当的变形。

【变式训练】已知:a,b,c同号且互不相等,a+b+c=1,求证:++〉9.

思路分析:本题解法较多,已知条件中a+b+c可看作是“1”的代换,然后两两结合使用基本不等式,或者看作6个正数的均值不等式。

证法一:++=

=1++++1++++1

=(+)+(+)+(+)+3。

∵a,b,c同号,且a+b+c=1.

∴a0,b〉0,c〉0。

∴,,,,,均大于0.又a,b,c互不相等,由基本不等式,得

+2,+2,+〉2。

于是,左边〉2+2+2+3=9.

∴++〉9.

证法二:++=

=3+(+++++).

∵a,b,c同号且a+b+c=1,

∴a0,b〉0,c〉0。

∴,,,,,均大于0,又a,b,c互不相等。由6个正数的均值不等式,得

左边=3+(+++++)≥3+=3+6=9。

∴++=9.

问题探究

问题:制作一个圆柱形的饮料盒,如果容积一定,怎样设计它的尺寸,才能使所用的材料最少?

导思:所用的材料最少的本质是什么意思?或者说从数学的角度来说是什么意思?分析出来,实质是表面积最小.

探究:已知量:体积V.

需设量:底半径r,高h。

最终要研究的量:表面积S。

关系式:S=2πr2+2πrh。

=2πr2+.

=2πr2+

≥.

即当2πr2=,r=时表面积最小。

此时h=2r.

即饮料盒的底面半径为r=,高度为2时,用料最省.

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