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对数均值不等式在高考题中的运用

Intro

对数均值不等式(Arithmetic-Logarithmic-Geometric mean inequalities,ALG不等式)

a>0,b>0时有:

b>a2+b22>a+b2>balnblna>ab>21a+1b>a

其中balnblna为对数均值。

证明

核心思路:令t=ab,构造关于t的方程f(t).

证明右半边 : 当a>0,b>0, 且ab时 , 有ab<ablnalnb.

证明:不妨设a>b, 上不等式⇔lnab<abab=abba.

t=ab(1,+)

上不等式⇔ 2lnt<t1t t2+2tlnt>1.

构造函数f(t)=t2+2tlnt, 求导得 : f(t)=2t+2lnt+2.

t(1,+)时 , f(t)>0恒成立, 即可知f(t)(1,+)上单调递增 .

即有f(t)>f(1)=1, 所以原不等式成立 .

左半边同理。

套路

  1. 证明ALG不等式;
  2. 根据f(x1)=f(x2)=a联立2个等式;
  3. 指数化对数,有a的相减消a
  4. 得到关系,代入具体题目分析。
  5. *如有需要,方程组可以相加,以得到ax1,x2的关系。

推论

  • 全部导数:已知0<b<a

    则: 1b>1a+1b2>1ab>lnalnbab>2a+b>2a2+b2>1a

  • 推论1:

    x>1 时, 2x1x+1<lnx<12(x1x)x(0,1) 时, 2x1x+1>lnx>12(x1x)

  • 推论2:

    x>1 时, x21x2+1<lnx<x1xx(0,1) 时 ,x21x2+1>lnx>x1x

实战演练

小试牛刀

  1. 已知 f(x)=lnxax有两个零点x1,x2.

    1. 求a的取值范围; (答案:a(0,1e))
    2. 求证 x1x2>e2.

    解析

    设2个零点为x1,x2. 则有

    {lnx1=ax1lnx2=ax2

    lnx1lnx2=a(x1x2)

    1a=x1x2lnx1lnx2<x1+x22

    a>x12x1+x2

    lnx1+lnx2=a(x1+x2) >2x1+x2(x1+x2)=2

    ln(x1x2)>2,x1x2>e2

  2. 证明: xlnx>2exxex+x.

    解析

    lnexlnxexx>2ex+x

    xlnx>2exxex+x

  3. 已知 f(x)=lnxa(x1x),对于x(1,+)都有f(x)<0恒成立,则正数a的取值范围是().

    A.(0,2] B.[2,+) C. (0,12] D.[12,+)

    解析

    D. 解析:x>1,lnx<12(x1a)a(x1x) a12

  4. 已知 f(x)=ln(x+1)axx+a,对于x(0,+)都有f(x)>0恒成立,则正数a的取值范围是().

    A.(0,2] B.[2,+) C.(0,12]D.[12,+)

    解析

    A. 解析:lnx>2x1x+1(x>1)

    x=x+1 代入得:

    x>0时, ln(x+1)>2x+11x+1+1=2xx+2

    ln(x+1)>2xx+2axx+a

    2x+2aax+2a

    a2

大显身手

  1. (2016全国课标Ⅰ卷理科21题)已知函数f(x)=(x2)ex+a(x1)有两个零点.

    (Ⅰ) 求a的取值范围 ;

    (Ⅱ) 设x1,x2f(x)的两个零点 , 证明: x1+x2<2.

    解析

    解析 : (Ⅰ) a(0+)

    (Ⅱ) 由 (Ⅰ) 知a>0,x1<1<x2<2,f(x1)=f(x2)=0,

    所以{a(x11)2=(2x1)exa(x21)2=(2x2)ex2

    取对数可得{lna+2ln(1x1)=ln(2x1)+x1lna+2ln(x21)=ln(2x2)+x2

    相减可得2(1x1)2(x21)=(2x1)(2x2)x1x2,

    2ln(1x1)2ln(x21)=ln(2x1)ln(2x2)[(2x1)(2x2)],

    所以2ln(1x1)2ln(x21)ln(2x1)ln(2x2)=1(2x1)(2x2)ln(2x1)ln(2x2),

    x1x22, 则1x1x21,

    所以2ln(1x1)2ln(x21)ln(2x1)ln(2x2)0,

    所以1(2x1)(2x2)ln(2x1)ln(2x2)<(2x1)+(2x2)2,

    所以(2x1)+(2x2)>2, 即x1+x2<2, 这与x1+x22矛盾 , 所以x1+x2<2.

  1. 已知函数 f(x)=2lnxx2ax.

    1. 求函数 f(x) 的单调区间;

    2. 如果函数 f(x) 有两个不同的零点 x1,x2,x1<x2,证明:f(x1+x22)<0

    解析

    分析: (1) 单调递增区间为 (0,a+a2+164), 单调递减区间为 (a+a2+164,+)

    1. 证: f(x)=2lnxx2ax(x>0)f(x)=2x2xa,

    由题意得:{2lnx1x21ax1=02lnx2x22ax2=0,

    两式相减得 :2(lnx1lnx2)(x21x22)=a(x1x2)

    2(lnx1lnx2)(x21x22)x1x2=a,

    欲证 :f(x1+x22)<0

    只需证 :f(x1+x22)=4x1+x2(x1+x2)a<0,

    只需证: 4x1+x2(x1+x2)<a,

    只需证: 4x1+x2(x1+x2)<2(lnx1lnx2)(x21x22)x1x2,

    只需证:2x1+x2<lnx1lnx2x1x2,

    由对数均值不等式x1x2lnx1lnx2<x1+x22可得2x1+x2<lnx1lnx2x1x2,

    从而命题得证.

  2. (2014南通二模)设函数 f(x)=exax+a (aR), 其图象与x轴交于A(x1,0),B(x2,0) 两点, 且 x1<x2.

    1. 求实数a 的取值范围;

    2. 证明:f(x1x2)<0.

    解析

    解:(1) a>e2 (过程略)

    证:(2) f(1)=e>0,(1)1<x1<lna<x2

    由 题 意 得: {ex1ax1+a=0ex2ax2+a=0{ex1=a(x11)ex2=a(x21){x1=ln(x11)+lnax2=ln(x21)+lna

    两 式 相 减 得 x1x2=ln(x1)ln(x21),

    x1x2ln(x11)ln(x21)= (x11)(x21)ln(x11)ln(x21)=1

    由ALG不等式得: (x11)(x21)<(x11)(x21)ln(x11)ln(x21)

    (x11)(x21)<1,(x11)(x21)<1


    {x1=ln(x11)+lnax2=ln(x21)+lna

    两式相加得:x1+x2=[ln(x11)+ln(x21)]+ 2lna

    (x1+x2)2lna=ln[(x11)(x21)],

    (x11)(x21)<1ln[(x11)(x21)]<0,

    (x1+x2)2lna<0x1+x22<lna,

    x1x2<x1+x22x1x2<lna 由(1)知f(x)(,lnα) 上单调递减,

    f(x1x2)<f(lnα)=0,

    f(x1x2)<0 得证.

  3. (2014陕西理21(3))设函数f(x)=ln(1+x),g(x)=xf(x)(x0),其中f(x)f(x)的导函数. 设 nN+, 比较g(1)+g(2)++g(n)nf(n) 的大小, 并加以证明.

    解析

    因为 g(x)=x1+x,

    所以 g(1)+g(2)+ +g(n) =12+23++nn+1 =n(12+13++1n+1),

    nf(n)=nln(n+1), 因此只需比较12+13++1n+1ln(n+1) 的大小即可.

    利用对数均值不等式: 当 b>a>0 时,有b>balnblnalnblna>bab[1],

    故可命b=n+1,a=n,

    ln(n+1)lnn>1n+1,

    ln2ln1>12,ln3ln2>13,,ln(n+1)lnn>1n+1,

    将以上各不等式左右两边分别相加得

    ln(n+1)>12+13+14++1n+1n+1,

    即得 g(1)+g(2)++g(n)> nf(n)

    注1

    【注1】这里如果用b>balnblna可以很快推出ln(n+1)lnn>1n+1. 但是如果使用常规(常用)的ALG不等式也可以分步推出相同结论。

    b=n+1,a=n,根据ALG不等式,有:

    (n+1)nln(n+1)lnn<n+1+n2 1ln(n+1)lnn<2n+12 ln(n+1)lnn>22n+1>22n+2=1n+1

  1. (2013 年全国大纲卷22II)设函数 f(x)=ln(1+x)x(1+λx)1+x. 设数列 {an} 的通项 an=1+12+13+ +1n, 证明 :a2nan+14n>ln2.

    解析

    证明: 当 b>a>0 时,有 balnblna>21a+1b (利用对数均值不等式),

    lnb lna<12(1a+1b)(ba),

    a=n,b=n+1, 则 ln(n+1)lnn<12(1n+1n+1),

    所以 ln(n+1) lnn<12(1n+1n+1)

    ln(n+2)ln(n+1)<12(1n+1+1n+2)

    ln(n+3)ln(n+2)< 12(1n+2+1n+3),,

    ln(2n)ln(2n1)< 12(12n1+12n),

    将上式相加可得

    ln2nlnn< 12(1n+2n+1+2n+2+2n+3++22n1+12n) ln2<12n+(1n+1+1n+2+1n+3++12n1) +14n,

    :1n+1+1n+2+1n+3++12n1+12n+ 14n>ln2,

    所以得证 a2nan+14n>ln2

  2. (2010天津理科21题) 已知函数f(x)=xex(xR). 如果x1x2, 且f(x1)=f(x2), 证明x1+ x2>2.

    解析

    f(x1)=f(x2),x1ex1=x2ex2,

    化简得 ex2x1=x2x1,

    两边同时取以 e 为底的对数, 得

    x2x1 =lnx2x1=lnx2lnx1,也即lnx2lnx1x2x1=1,

    利用ALG不等式得 1=x1x2lnx1lnx2<x1+x22,

    即证得x1+x2>2.

  3. (2018全国I卷21) 已知函数 f(x)=1xx+ alnx. 若f(x)存在两个极值点 x1,x2, 证明: f(x1)f(x2)x1x2<a2.

    解析

    对函数 f(x) 求导得: f(x)=ax1x21 =x2+ax1x2.

    f(x)存在两个极值点 x1,x2 x2+ax1=0(0,+)上有两个解x1,x2.

    由韦达定理可得: x1x2=1,x1+x2=a.

    {f(x1)=1x1x1+alnx1f(x2)=1x2x2+alnx2

    两式相减得: f(x1)f(x2)=x2x1x2x1+x2x1+a(lnx1lnx2).

    结合韦达定理得: f(x1)f(x2)x1x2=1x2x11+ alnx1lnx2x1x2 =alnx1lnx2x1x22,

    利用ALG不等式可得:lnx1lnx2x1x2<1x1x2=1,

    所以 f(x1)f(x2)x1x2<a2 成立.

  4. (2016湖南高联预15) 已知函数 f(x)=xlnx12mx2x,mR. 若 f(x) 有两个极值点 x1,x2, 且 x1<x2, 求证: x1x2>e2.

    解析

    f(x) 求导得: f(x)=lnxmx.

    因为 x1,x2f(x)的两个极值点,

    所以 {f(x1)=lnx1mx1=0f(x2)=lnx2mx2=0{lnx1=mx1(1)lnx2=mx2(2)

    由(1)-(2)​得: x1x2lnx1lnx2=1m.

    根据对数均值不等式得: 1m=x1x2lnx1lnx2<x1+x22x1+x2>2m.(3)

    由(1)+(2)​得:

    ln(x1x2)=m(x1+x2)(4)

    将(3)式带入(4)式得: ln(x1x2)>m2m=2 x1x2>e2成立。

  5. (2018福建高联预14) 已知f(x)=exmx.x1,x2是函数f(x) 的两个零点, 求证:x1+x2>2.

    解析

    因为 x1,x2是函数f(x) 的两个零点,

    所以{f(x1)=ex1mx1=0f(x2)=ex2mx2=0成立.

    移项可得:{ex1=mx1ex2=mx2

    两边分别取对数可得: {x1=lnm+lnx1x2=lnm+lnx2

    上式相减可得: lnx1lnx2x1x2=1 利用ALG不等式 2x1+x2<lnx1lnx2x1x2=1即可得:x1+x2>2 成立.

  6. 已知实数 a>0, 函数 f(x)=lnx ax2+(2a)x. 若 y=f(x) 的图象与 x 轴交于 A,B 两点, 线段AB中点的横坐标为 x0, 证明: f(x0) <0.

    解析

    f(x1)=f(x2)=0,lnx1ax21 +(2a)x1=lnx2ax22+(2a)x2,

    a=lnx1lnx2+2(x1x2)x21x22+x1x2

    f(x0)<0

    x0=x1+x22>1a

    x1+x22>x21+x22+x1x2lnx1lnx2+2(x1x2)

    x1+x22>x1+x2+1lnx1lnx2x1x2+2

    2x1+x2<lnx1lnx2x1x2

总结

b>a2+b22>a+b2>balnblna>ab>21a+1b>a

题号/来源所用的不等式方程组处理
1/2016国一21a+b2>balnblna相减、反证法
22a+b<lnalnbab相减
3/2014南通二模20balnblna>ab

a+b2>ab
取对、相减、相加
4/2014陕西21b>balnblnaa+b2>balnblnab=n+1, a=n
5/2013全国大纲卷22IIbalnblna>21a+1b裂项
6/2010天津理21a+b2>balnblna相减、取对
7/2018全国I卷21lnblnaba<1ab相减、韦达
8/2016湖南高联预15a+b2>balnblna相减
9/2018福建高联预142a+b<lnalnbab取对、相减
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参考资料

  • 《利用对数均值不等式破解极值点偏移问题》陈友镇
  • 《巧用对数均值不等式解高考压轴题》彭耿铃
  • 《对数均值不等式在高考及竞赛中的运用》陈纪刚
  • 《妙用对数均值不等式解题》徐春艳

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