使用基本不等式求最值的關鍵是拼湊出「定和」或「定積」的形式,並保證等號要能成立。常用技巧包括:
加項或拆項。
減少變量數目或統一變元
平方後再利用基本不等式
利用約束條件中的常量代換
有時候,要求最值的式子和所給的定值約束條件不太相符。這時可以考慮利用約束條件可以進行變量或常量的等價替換,以便拼湊出滿足基本不等式的形式條件。
通過換元,將包含多個變量的式子減少變量數目或統一變元。
常量代換,這種方法最常用於「已知
m
a
+
n
b
=
k
{\displaystyle ma+nb=k}
,求
1
a
+
1
b
{\displaystyle {\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}}
的最小值」和「已知
m
a
+
n
b
=
1
{\displaystyle {\frac {m}{a}}+{\frac {n}{b}}=1}
,求
a
+
b
{\displaystyle a+b}
的最小值」的題型(其中m和n是已知常數,且a、b、m、n均為正數)。
相關例題1:
已知a > 0,b > 0,且
a
+
b
=
2
{\displaystyle a+b=2}
,求
1
a
+
1
b
{\displaystyle {\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}}
的最小值。
相關例題2:
已知a > 0,b > 0,且
1
a
+
9
b
=
1
{\displaystyle {\frac {1}{a}}+{\frac {9}{b}}=1}
,求
a
+
b
{\displaystyle a+b}
的最小值。
相關例題3:
若正數a、b滿足
a
2
+
3
a
b
−
1
=
0
{\displaystyle a^{2}+3ab-1=0}
,求
a
+
b
{\displaystyle a+b}
的最小值。
相關例題4:
設
a
+
3
b
−
2
=
0
{\displaystyle a+3b-2=0}
,求
3
a
+
27
b
+
1
{\displaystyle 3^{a}+27^{b}+1}
的最小值。
相關例題5:
已知a > 0,b > 0,
a
+
2
b
+
2
a
b
=
8
{\displaystyle a+2b+2ab=8}
,求
a
+
2
b
{\displaystyle a+2b}
的最小值。
相關例題6:
設正實數a、b、c滿足
a
2
−
3
a
b
+
4
b
2
−
c
=
0
{\displaystyle a^{2}-3ab+4b^{2}-c=0}
,則當
c
a
b
{\displaystyle {\frac {c}{ab}}}
取最小值時,求
a
+
2
b
−
c
{\displaystyle a+2b-c}
的最大值。
相關例題1:
已知a > 0,b >0,
a
2
+
b
3
=
2
{\displaystyle {\frac {a}{2}}+{\frac {b}{3}}=2}
,求
a
b
{\displaystyle ab}
的最大值,並求取到最大值時a、b的值。
相關例題2:
已知正實數a、b滿足
a
+
b
=
4
{\displaystyle a+b=4}
,求
1
a
+
1
+
1
b
+
3
{\displaystyle {\frac {1}{a+1}}+{\frac {1}{b+3}}}
的最小值。
相關例題1:
已知a > 0,b > 0,求
1
a
+
1
b
+
2
a
b
{\displaystyle {\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}+2{\sqrt {ab}}}
的最小值。
相關例題2:
已知0 < x < 2,求
x
2
(
2
−
x
)
{\displaystyle x^{2}(2-x)}
的最大值。
相關例題3:
已知a、b、c都是正數,求證:
(
a
+
b
)
(
b
+
c
)
(
a
+
c
)
≥
8
a
b
c
{\displaystyle (a+b)(b+c)(a+c)\geq 8abc}
。
相關例題4:
設
a
,
b
,
c
>
0
{\displaystyle a,b,c>0}
,求證:
a
2
+
b
2
+
c
2
≥
a
b
+
b
c
+
c
a
{\displaystyle a^{2}+b^{2}+c^{2}\geq ab+bc+ca}
。
相關例題5:
求證:
3
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
≥
(
a
+
b
+
c
)
2
{\displaystyle 3(a^{2}+b^{2}+c^{2})\geq (a+b+c)^{2}}
。
證明:
{
a
2
+
b
2
≥
2
a
b
b
2
+
c
2
≥
2
b
c
c
2
+
a
2
≥
2
c
a
⇒
(
a
2
+
b
2
)
+
(
b
2
+
c
2
)
+
(
c
2
+
a
2
)
≥
2
a
b
+
2
b
c
+
2
c
a
⇒
2
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
≥
2
(
a
b
+
b
c
+
c
a
)
⇒
2
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
+
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
≥
2
(
a
b
+
b
c
+
c
a
)
+
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
⇒
3
(
a
2
+
b
2
+
c
2
)
≥
(
a
+
b
+
c
)
2
{\displaystyle {\begin{array}{l}\left\{{\begin{array}{l}a^{2}+b^{2}\geq 2ab\\b^{2}+c^{2}\geq 2bc\\c^{2}+a^{2}\geq 2ca\end{array}}\right.\\\Rightarrow (a^{2}+b^{2})+(b^{2}+c^{2})+(c^{2}+a^{2})\geq 2ab+2bc+2ca\\\Rightarrow 2(a^{2}+b^{2}+c^{2})\geq 2(ab+bc+ca)\\\Rightarrow 2(a^{2}+b^{2}+c^{2})+(a^{2}+b^{2}+c^{2})\geq 2(ab+bc+ca)+(a^{2}+b^{2}+c^{2})\\\Rightarrow 3(a^{2}+b^{2}+c^{2})\geq (a+b+c)^{2}\end{array}}}
上式中的等號若且唯若
a
=
b
=
c
{\displaystyle a=b=c}
時成立。證明完畢。
相關例題6:
已知a、b、c都是正數,求證:
a
2
b
+
b
2
c
+
c
2
a
≥
a
+
b
+
c
{\displaystyle {\frac {a^{2}}{b}}+{\frac {b^{2}}{c}}+{\frac {c^{2}}{a}}\geq a+b+c}
。
相關例題7:
已知a、b、c是互不相等的正數,且
a
+
b
+
c
=
1
{\displaystyle a+b+c=1}
,求證:
(
1
a
−
1
)
(
1
b
−
1
)
(
1
c
−
1
)
≥
8
{\displaystyle ({\frac {1}{a}}-1)({\frac {1}{b}}-1)({\frac {1}{c}}-1)\geq 8}
。
相關例題8:
已知a、b、c為不全相等的正實數,且
a
b
c
=
1
{\displaystyle abc=1}
,求證:
a
+
b
+
c
≥
1
a
+
1
b
+
1
c
{\displaystyle {\sqrt {a}}+{\sqrt {b}}+{\sqrt {c}}\geq {\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}+{\frac {1}{c}}}
。
易錯點:多次套用不等式時忽視取等條件的一致性
編輯
相關例題1:
求
y
=
e
x
+
e
−
x
{\displaystyle y=e^{x}+e^{-x}}
的最小值。
相關例題2:
求
y
=
sin
x
2
+
2
sin
x
(
0
<
x
<
π
)
{\displaystyle y={\frac {\sin x}{2}}+{\frac {2}{\sin x}}\quad (0<x<\pi )}
的最小值。
相關例題1:
已知a > 0,b > 0,且
lg
2
a
+
lg
8
b
=
lg
2
{\displaystyle \lg 2^{a}+\lg 8^{b}=\lg 2}
,求
1
a
+
1
3
b
{\displaystyle {\frac {1}{a}}+{\frac {1}{3b}}}
的最小值。
相關例題2:
若
2
a
+
2
b
=
1
{\displaystyle 2^{a}+2^{b}=1}
,求
a
+
b
{\displaystyle a+b}
的取值範圍。
相關例題3:
比較
lg
9
×
lg
11
{\displaystyle \lg 9\times \lg 11}
與
1
{\displaystyle 1}
的大小關係。
相關例題4:
已知a、b是正實數,且
2
a
+
5
b
=
20
{\displaystyle 2a+5b=20}
,求:
(1)
lg
a
+
lg
b
{\displaystyle \lg a+\lg b}
的最大值;
(2)
1
a
+
1
b
{\displaystyle {\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}}
的最小值。
相關例題5:
已知函數
f
(
x
)
=
lg
x
(
x
∈
R
+
)
{\displaystyle f(x)=\lg x\quad (x\in \mathbb {R} ^{+})}
,若
x
1
,
x
2
∈
(
−
0
,
+
∞
)
{\displaystyle x_{1},x_{2}\in (-0,+\infty )}
,請比較
f
(
x
1
)
+
f
(
x
2
)
2
{\displaystyle {\frac {f(x_{1})+f(x_{2})}{2}}}
與
f
(
x
1
+
x
2
2
)
{\displaystyle f({\frac {x_{1}+x_{2}}{2}})}
的大小關係。
對於2個正數a和b,有下列不等式鏈成立:
min
{
a
,
b
}
≤
2
1
a
+
1
b
≤
a
b
≤
a
+
b
2
≤
a
2
+
b
2
2
≤
max
{
a
,
b
}
{\displaystyle \min\{a,b\}\leq {\frac {2}{{\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}}}\leq {\sqrt {ab}}\leq {\frac {a+b}{2}}\leq {\sqrt {\frac {a^{2}+b^{2}}{2}}}\leq \max\{a,b\}}
或
min
{
a
2
,
b
2
}
≤
(
2
1
a
+
1
b
)
2
≤
a
b
≤
(
a
+
b
2
)
2
≤
a
2
+
b
2
2
≤
max
{
a
2
,
b
2
}
{\displaystyle \min\{a^{2},b^{2}\}\leq ({\frac {2}{{\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}}})^{2}\leq ab\leq ({\frac {a+b}{2}})^{2}\leq {\frac {a^{2}+b^{2}}{2}}\leq \max\{a^{2},b^{2}\}}
若且唯若a = b時,以上各等號同時成立。
它可以看作平均數不等式 在只涉及2個變元時的特殊情形,給出了4種最常見的平均數的大小順序。
相關例題:
已知a > 0,b > 0,求
a
+
b
2
{\displaystyle {\frac {a+b}{2}}}
、
a
b
{\displaystyle {\sqrt {ab}}}
、
a
2
+
b
2
2
{\displaystyle {\sqrt {\frac {a^{2}+b^{2}}{2}}}}
、
2
a
b
a
+
b
{\displaystyle {\frac {2ab}{a+b}}}
中最小的一項一定是哪一項。
視野拓展:不等式鏈可以擴充到令人大跌眼鏡的程度。例如對於
0
<
a
≤
b
{\displaystyle 0<a\leq b}
,可以得到:
a
<
(
a
b
b
a
)
1
a
+
b
<
2
a
2
b
2
a
2
+
b
2
<
2
a
b
a
+
b
<
a
b
<
(
a
b
)
1
−
1
3
(
a
1
3
+
b
1
3
)
2
<
b
−
a
ln
b
−
ln
a
<
(
a
3
+
b
3
2
)
3
<
(
a
+
b
2
)
2
<
a
+
a
b
+
b
3
<
(
a
2
3
+
b
2
3
2
)
3
2
<
1
e
(
a
a
b
b
)
1
a
−
b
<
a
+
b
2
<
2
3
a
2
+
a
b
+
b
2
a
+
b
<
a
2
+
b
2
2
<
(
a
a
b
b
)
1
a
+
b
<
a
2
+
b
2
a
+
b
<
a
2
−
a
b
+
b
2
<
b
{\displaystyle {\begin{aligned}a<(a^{b}b^{a})^{\frac {1}{a+b}}<{\sqrt {\frac {2a^{2}b^{2}}{a^{2}+b^{2}}}}<{\frac {2ab}{a+b}}<{\sqrt {ab}}<{\frac {(ab)^{1-{\frac {1}{\sqrt {3}}}}(a^{\frac {1}{\sqrt {3}}}+b^{\frac {1}{\sqrt {3}}})}{2}}<{\frac {b-a}{\ln b-\ln a}}\\<({\frac {{\sqrt[{3}]{a}}+{\sqrt[{3}]{b}}}{2}})^{3}<({\frac {{\sqrt {a}}+{\sqrt {b}}}{2}})^{2}<{\frac {a+{\sqrt {ab}}+b}{3}}<({\frac {{\sqrt[{3}]{a^{2}}}+{\sqrt[{3}]{b^{2}}}}{2}})^{\frac {3}{2}}<{\frac {1}{e}}({\frac {a^{a}}{b^{b}}})^{\frac {1}{a-b}}\\<{\frac {a+b}{2}}<{\frac {2}{3}}{\frac {a^{2}+ab+b^{2}}{a+b}}<{\sqrt {\frac {a^{2}+b^{2}}{2}}}<(a^{a}b^{b})^{\frac {1}{a+b}}<{\frac {a^{2}+b^{2}}{a+b}}<{\sqrt {a^{2}-ab+b^{2}}}<b\end{aligned}}}
顯然,這是一個很不和諧的東西,拿它來為難同學或老師都是非常不道德的行為。它只適合有收集癖的讀者。其中的某些中間鏈條涉及不少變形技巧與其它知識,並非僅靠套用基本不等式就能得到簡潔證明的。
上述均值不等式鏈的一部分——對數均值不等式 (ALG不等式)在解決函數的極值點偏移問題 上有著重要的應用。