不等式与线性规划含答案
不等式与线性规划
考情解读 (1)在高考中主要考查利用不等式的性质进行两数的大小比较、一元二次不等式的解法、基本不等式及线性规划问题．基本不等式主要考查求最值问题，线性规划主要考查直接求最优解和已知最优解求参数的值或取值范围问题．(2)多与集合、函数等知识交汇命题，以填空题的形式呈现，属中档题．
1．四类不等式的解法 (1)一元二次不等式的解法
先化为一般形式ax 2＋bx ＋c >0(a ≠0)，再求相应一元二次方程ax 2＋bx ＋c ＝0(a ≠0)的根，最后根据相应二次函数图象与x 轴的位置关系，确定一元二次不等式的解集． (2)简单分式不等式的解法
①变形?f (x )
g (x )
>0(<0)?f (x )g (x )>0(<0)；
②变形?f (x )
g (x )≥0(≤0)?f (x )g (x )≥0(≤0)且g (x )≠0.
(3)简单指数不等式的解法 ①当a >1时，a f (x )>a g (x )?f (x )>g (x )； ②当0a g (x )?f (x ) ①当a >1时，log a f (x )>log a g (x )?f (x )>g (x )且f (x )>0，g (x )>0； ②当0log a g (x )?f (x ) (4)ab ≤(a ＋b 2)2 (a ，b ∈R )． (5) a 2＋ b 22≥a ＋b 2≥ab ≥2ab a ＋b (a >0，b >0)． 3．二元一次不等式(组)和简单的线性规划 (1)线性规划问题的有关概念：线性约束条件、线性目标函数、可行域、最优解等． (2)解不含实际背景的线性规划问题的一般步骤：①画出可行域；②根据线性目标函数的几何意义确定最优解；③求出目标函数的最大值或者最小值． 4．两个常用结论 (1)ax 2 ＋bx ＋c >0(a ≠0)恒成立的条件是? ???? a >0， Δ<0. (2)ax 2 ＋bx ＋c <0(a ≠0)恒成立的条件是? ???? a <0， Δ<0. 热点一 一元二次不等式的解法 例1 (1)(2013·安徽)已知一元二次不等式f (x )<0的解集为? ?? ? ??x |x <－1或x >12，则f (10x )>0的解集 为________． (2)已知函数f (x )＝(x －2)(ax ＋b )为偶函数，且在(0，＋∞)单调递增，则f (2－x )>0的解集为________． 思维启迪 (1)利用换元思想，设10x ＝t ，先解f (t )>0.(2)利用f (x )是偶函数求b ，再解f (2－x )>0. 答案 (1){x |x <－lg 2} (2){x |x <0或x >4} 解析 (1)由已知条件0<10x <12， 解得x 2 ＝－lg 2. (2)由题意可知f (－x )＝f (x )． 即(－x －2)(－ax ＋b )＝(x －2)(ax ＋b )， 化简得(2a －b )x ＝0恒成立， 故2a －b ＝0，即b ＝2a ，则f (x )＝a (x －2)(x ＋2)． 又函数在(0，＋∞)单调递增，所以a >0. f (2－x )>0即ax (x －4)>0，解得x <0或x >4. 思维升华 二次函数、二次不等式是高中数学的基础知识，也是高考的热点，“三个二次”的相互转化体现了转化与化归的数学思想方法． (1)不等式x －1 2x ＋1 ≤0的解集为________． (2)已知p ：?x 0∈R ，mx 20＋1≤0，q ：?x ∈R ，x 2 ＋mx ＋1>0.若p ∧q 为真命题，则实数m 的 取值范围是______________________________________________________________． 答案 (1)(－1 2 ，1] (2)(－2,0) 解析 (1)原不等式等价于(x －1)(2x ＋1)<0或x －1＝0，即－1 2 为(－1 2，1]． (2)p ∧q 为真命题，等价于p ，q 均为真命题．命题p 为真时，m <0；命题q 为真时，Δ＝m 2－4<0，解得－2 例2 (1)(2014·湖北)某项研究表明：在考虑行车安全的情况下，某路段车流量F (单位时间内经过测量点的车辆数，单位：辆/时)与车流速度v (假设车辆以相同速度v 行驶，单位：米/秒)、平均车长l (单位：米)的值有关，其公式为F ＝76 000v v 2＋18v ＋20l . ①如果不限定车型，l ＝，则最大车流量为________辆/时； ②如果限定车型，l ＝5，则最大车流量比①中的最大车流量增加________辆/时． (2)(2013·山东改编)设正实数x ，y ，z 满足x 2－3xy ＋4y 2－z ＝0，则当xy z 取得最大值时，2x ＋1y － 2 z 的最大值为________． 思维启迪 (1)把所给l 值代入，分子分母同除以v ，构造基本不等式的形式求最值；(2)关键是寻找xy z 取得最大值时的条件． 答案 (1)①1 900 ②100 (2)1 解析 (1)①当l ＝时，F ＝76 000v v 2＋18v ＋121 ＝ 76 000 v ＋121 v ＋18≤ 76 0002 v ·121 v ＋18 ＝76 000 22＋18＝1 900. 当且仅当v ＝11 米/秒时等号成立，此时车流量最大为1 900辆/时． ②当l ＝5时，F ＝76 000v v 2＋18v ＋100 ＝ 76 000 v ＋100 v ＋18≤ 76 0002 v ·100 v ＋18 ＝76 000 20＋18＝2 000. 当且仅当v ＝10 米/秒时等号成立，此时车流量最大为2 000 辆/时，比①中的最大车流量增加100 辆/时． (2)由已知得z ＝x 2－3xy ＋4y 2，(*) 则xy z ＝xy x 2－3xy ＋4y 2＝1x y ＋4y x －3≤1，当且仅当x ＝2y 时取等号，把x ＝2y 代入(*)式，得z ＝2y 2， 所以2x ＋1y －2z ＝1y ＋1y －1 y 2＝－????1y －12＋1≤1， 所以当且仅当y ＝1时，2x ＋1y －2 z 的最大值为1. 思维升华 在利用基本不等式求最值时，要特别注意“拆、拼、凑”等技巧，使其满足基本不等式中“正”(即条件要求中字母为正数)、“定”(不等式的另一边必须为定值)、“等”(等号取得的条件)的条件才能应用，否则会出现错误． (1)若点A (m ，n )在第一象限，且在直线x 3＋y 4 ＝1上，则mn 的最大值为________． (2)已知关于x 的不等式2x ＋2 x －a ≥7在x ∈(a ，＋∞)上恒成立，则实数a 的最小值为________． 答案 (1)3 (2)3 2 解析 (1)因为点A (m ，n )在第一象限，且在直线x 3＋y 4＝1上，所以m ，n >0，且m 3＋n 4＝1. 所以m 3·n 4≤(m 3＋ n 42)2(当且仅当m 3＝n 4＝12，即m ＝3 2，n ＝2时，取等号)．所以m 3·n 4≤14，即mn ≤3， 所以mn 的最大值为3. (2)2x ＋2x －a ＝2(x －a )＋2x －a ＋2a ≥2· 2(x －a )·2 x －a ＋2a ＝4＋2a ， 由题意可知4＋2a ≥7，得a ≥3 2， 即实数a 的最小值为3 2. 热点三 简单的线性规划问题 例3 (2013·湖北)某旅行社租用A 、B 两种型号的客车安排900名客人旅行，A 、B 两种车辆的载客量分别为36人和60人，租金分别为1 600元/辆和2 400元/辆，旅行社要求租车总数不超过21辆，且B 型车不多于A 型车7辆，则租金最少为________元． 思维启迪 通过设变量将实际问题转化为线性规划问题． 答案 36 800 解析 设租A 型车x 辆，B 型车y 辆时，租金为z 元， 则z ＝1 600x ＋2 400y ，且x ，y 满足????? x ＋y ≤21 y －x ≤7 36x ＋60y ≥900， x ，y ≥0，x ，y ∈N 画出可行域如图， 直线y ＝－23x ＋z 2 400过点 A (5,12)时纵截距最小， 所以z min ＝5×1 600＋2 400×12＝36 800， 故租金最少为36 800元． 思维升华 (1)线性规划问题一般有三种题型：一是求最值；二是求区域面积；三是确定目标函数中的字母系数的取值范围．(2)解决线性规划问题首先要找到可行域，再注意目标函数所表示的几何意义，利用数形结合找到目标函数的最优解．(3)对于应用问题，要准确地设出变量，确定可行域和目标函数． (1)已知实数x ，y 满足约束条件???? ? x >0，4x ＋3y ≤4 y ≥0 ，则w ＝y ＋1 x 的最小值是________． (2)(2013·北京)设关于x ，y 的不等式组???? ? 2x －y ＋1>0，x ＋m <0， y －m >0表示的平面区域内存在点P (x 0，y 0)， 满足x 0－2y 0＝2，求得m 的取值范围是________． 答案 (1)1 (2)????－∞，－2 3 解析 (1)画出可行域，如图所示． w ＝y ＋1x 表示可行域内的点(x ，y )与定点P (0，－1)连线的斜率，观察图形可知P A 的斜率最小 为 －1－0 0－1 ＝1. (2)当m ≥0时，若平面区域存在，则平面区域内的点在第二象限，平面区域内不可能存在点P (x 0，y 0)满足x 0－2y 0＝2，因此m <0. 如图所示的阴影部分为不等式组表示的平面区域． 要使可行域内包含y ＝1 2 x －1上的点，只需可行域边界点 (－m ，m )在直线y ＝12x －1的下方即可，即m <－12m －1，解得m <－2 3 . 1．几类不等式的解法 一元二次不等式解集的端点值是相应一元二次方程的根，也是相应的二次函数图象与x 轴交点的横坐标，即二次函数的零点；分式不等式可转化为整式不等式(组)来解；以函数为背景的不等式可利用函数的单调性进行转化． 2．基本不等式的作用 二元基本不等式具有将“积式”转化为“和式”或将“和式”转化为“积式”的放缩功能，常常用于比较数(式)的大小或证明不等式或求函数的最值或解决不等式恒成立问题．解决问题的关键是弄清分式代数式、函数解析式、不等式的结构特点，选择好利用基本不等式的切入点，并创造基本不等式的应用背景，如通过“代换”、“拆项”、“凑项”等技巧，改变原式的结构使其具备基本不等式的应用条件．利用基本不等式求最值时要注意“一正、二定、三相等”的条件，三个条件缺一不可． 3．线性规划问题的基本步骤 (1)定域——画出不等式(组)所表示的平面区域，注意平面区域的边界与不等式中的不等号的对应； (2)平移——画出目标函数等于0时所表示的直线l ，平行移动直线，让其与平面区域有公共点，根据目标函数的几何意义确定最优解，注意要熟练把握最常见的几类目标函数的几何意义； (3)求值——利用直线方程构成的方程组求解最优解的坐标，代入目标函数，求出最值. 真题感悟 1．(2014·山东改编)已知实数x ，y 满足a x 1 x 2＋1>1 y 2＋1； ②ln(x 2＋1)>ln(y 2＋1)； ③sin x >sin y; ④x 3>y 3. 答案 ④ 解析 因为0y .采用赋值法判断，①中，当x ＝1，y ＝0时，1 2<1，①不成 立．②中，当x ＝0，y ＝－1时，ln 1 ? x ＋2y －4≤0，x －y －1≤0， x ≥1时，1≤ax ＋y ≤4恒成立，则实数a 的取值 范围是________． 答案 [1，3 2 ] 解析 画可行域如图所示，设目标函数z ＝ax ＋y ，即y ＝－ax ＋z ，要使1≤z ≤4恒成立，则 a >0，数形结合知，满足? ???? 1≤2a ＋1≤4，1≤a ≤4即可，解得1≤a ≤32.所以a 的取值范围是1≤a ≤3 2. 押题精练 1．为了迎接2015年3月8日的到来，某商场举行了促销活动，经测算某产品的销售量P 万件(生产量与销售量相等)与促销费用x 万元满足P ＝3－2 x ＋1 ，已知生产该产品还需投入成本(10＋2P )万元(不含促销费用)，产品的销售价格定为(4＋20 P )万元/万件，则促销费用投入________万元时，厂家的利润最大？ 答案 1 解析 设该产品的利润为y 万元，由题意知，该产品售价为2×(10＋2P P )万元，所以y ＝2× (10＋2P P )×P －10－2P －x ＝16－4x ＋1－x (x >0)，所以y ＝17－(4 x ＋1＋x ＋1)≤17－2 4x ＋1×(x ＋1)＝13(当且仅当4 x ＋1 ＝x ＋1，即x ＝1时取等号)，所以促销费用投入1万元时，厂家的利润最大． 2．若点P (x ，y )满足线性约束条件??? 3x －y ≤0， x －3y ＋2≥0， y ≥0， 点A (3，3)，O 为坐标原点，则OA →·OP → 的最大值为________． 答案 6 解析 由题意，知OA →＝(3，3)，OP →＝(x ，y )，则OA →·OP → ＝3x ＋3y . 令z ＝3x ＋3y ， 如图画出不等式组所表示的可行域， 可知当直线y ＝－3x ＋ 3 3 z 经过点B 时，z 取得最大值． 由??? 3x －y ＝0，x －3y ＋2＝0， 解得??? x ＝1，y ＝3，即B (1，3)，故z 的最大值为3×1＋3×3＝6. 即OA →·OP → 的最大值为6. 3．如果关于x 的不等式f (x )<0和g (x )<0的解集分别为(a ，b )，(1b ，1 a )，那么称这两个不等式为 “对偶不等式”，如果不等式x 2－43x cos 2θ＋2<0与不等式2x 2＋4x sin 2θ＋1<0为“对偶不等式”，且θ∈(π2，π)，则θ＝______________________________________________. 答案 5π6 解析 由题意可知ab ＝2，a ＋b ＝43cos 2θ， 1b ＋1 a ＝－2sin 2θ， 即 a ＋b ab ＝－2sin 2θ， ∴23cos 2θ＝－2sin 2θ，tan 2θ＝－ 3. ∵θ∈(π 2 ，π)， ∴2θ∈(π，2π)，2θ＝5π3.∴θ＝5π 6 . (推荐时间：50分钟) 一、填空题 1．函数f (x )＝? ???? －x ＋1，(x <0)， x －1，(x ≥0)，则不等式x ＋(x ＋1)f (x ＋1)≤1的解集是________． 答案 {x |x ≤2－1} 解析 当x <－1时，原不等式可化为 x ＋(x ＋1)·(－x )≤1， 解得x 2≥－1恒成立， 所以x <－1. 当x ≥－1时，原不等式可化为x ＋(x ＋1)·x ≤1， 解得－2－1≤x ≤2－1， 所以－1≤x ≤2－1. 综上，原不等式的解集为{x |x ≤2－1}． 2．下列不等式一定成立的是________． ①lg ????x 2＋1 4>lg x (x >0)； ②sin x ＋1 sin x ≥2(x ≠k π，k ∈Z )； ③x 2＋1≥2|x |(x ∈R )； ④ 1 x 2 ＋1 >1(x ∈R )． 答案 ③ 解析 应用基本不等式：x ，y >0，x ＋y 2≥xy (当且仅当x ＝y 时取等号)逐个分析，注意基本不 等式的应用条件及取等号的条件． 当x >0时，x 2＋14≥2·x ·1 2 ＝x ， 所以lg ? ???x 2＋1 4≥lg x (x >0)，故①不正确； 运用基本不等式时需保证“一正、二定、三相等”， 而当x ≠k π，k ∈Z 时，sin x 的正负不定，故②不正确； 由基本不等式可知，③正确； 当x ＝0时，有1 x 2＋1 ＝1，故④不正确． 3．(2013·重庆改编)关于x 的不等式x 2－2ax －8a 2<0(a >0)的解集为(x 1，x 2)，且x 2－x 1＝15，则a ＝________. 答案 52 解析 由x 2－2ax －8a 2<0，得(x ＋2a )(x －4a )<0，因a >0，所以不等式的解集为(－2a,4a )，即x 2＝4a ，x 1＝－2a ，由x 2－x 1＝15，得4a －(－2a )＝15，解得a ＝5 2 . 4．(2014·重庆改编)若log 4(3a ＋4b )＝log 2ab ，则a ＋b 的最小值是________． 答案 7＋4 3 解析 由题意得???? ? ab >0， ab ≥0， 3a ＋4b >0， 所以? ??? ? a >0， b >0. 又log 4(3a ＋4b )＝log 2ab ， 所以log 4(3a ＋4b )＝log 4ab ， 所以3a ＋4b ＝ab ，故4a ＋3 b ＝1. 所以a ＋b ＝(a ＋b )(4a ＋3b )＝7＋3a b ＋4b a ≥7＋2 3a b ·4b a ＝7＋43， 当且仅当3a b ＝4b a 时取等号． 5．已知变量x ，y 满足约束条件???? ? x ＋y －5≤0，x －2y ＋1≤0 x －1≥0 ，则z ＝x ＋2y －1的最大值为 ______________________________________________________________． 答案 8 解析 约束条件???? ? x ＋y －5≤0，x －2y ＋1≤0， x －1≥0 所表示的区域如图， 由图可知，当目标函数过A (1,4)时取得最大值，故z ＝x ＋2y －1的最大值为1＋2×4－1＝8. 6．已知f (x )是R 上的减函数，A (3，－1)，B (0,1)是其图象上两点，则不等式|f (1＋ln x )|<1的解集是________． 答案 (1 e ，e 2) 解析 ∵|f (1＋ln x )|<1，∴－1 e ? x －y ≤0，x ＋y ≥0， y ≤a ，且z ＝2x ＋3y 的最大值是5，则实数a 的值为________． 答案 1 解析 画出满足条件的可行域如图阴影部分所示，则当直线z ＝2x ＋3y 过点A (a ，a )时，z ＝2x ＋3y 取得最大值5，所以5＝2a ＋3a ，解得a ＝1. 8．若点A (1,1)在直线2mx ＋ny －2＝0上，其中mn >0，则1m ＋1 n 的最小值为________． 答案 3 2 ＋ 2 解析 ∵点A (1,1)在直线2mx ＋ny －2＝0上， ∴2m ＋n ＝2，又∵mn >0，∴m >0且n >0. ∵1m ＋1n ＝(1m ＋1n )2m ＋n 2＝12(2＋2m n ＋n m ＋1) ≥1 2 (3＋22m n ·n m )＝3 2 ＋2， 当且仅当2m n ＝n m ，即n ＝2m 时取等号， ∴1m ＋1n 的最小值为3 2＋ 2. 二、解答题 9．设集合A 为函数y ＝ln(－x 2－2x ＋8)的定义域，集合B 为函数y ＝x ＋1 x ＋1 的值域，集合C 为不等式(ax －1 a )(x ＋4)≤0的解集． (1)求A ∩B ； (2)若C ??R A ，求a 的取值范围． 解 (1)由－x 2－2x ＋8>0，得－4 1x ＋1＝(x ＋1)＋1x ＋1 －1， 当x ＋1>0，即x >－1时，y ≥2－1＝1， 此时x ＝0，符合要求； 当x ＋1<0，即x <－1时，y ≤－2－1＝－3， 此时x ＝－2，符合要求． 所以B ＝(－∞，－3]∪[1，＋∞)， 所以A ∩B ＝(－4，－3]∪[1,2)． (2)(ax －1a )(x ＋4)＝0有两根x ＝－4或x ＝1 a 2. 由(1)知?R A ＝(－∞，4]∪[2，＋∞) 当a >0时，C ＝{x |－4≤x ≤1 a 2}，不可能C ??R A ； 当a <0时，C ＝{x |x ≤－4或x ≥1 a 2}， 若C ??R A ，则1a 2≥2，∴a 2≤1 2 ， ∴－ 22≤a <0.故a 的取值范围为[－2 2 ，0)． 10．已知函数f (x )＝1 3ax 3－bx 2＋(2－b )x ＋1在x ＝x 1处取得极大值，在x ＝x 2处取得极小值，且 0 (2)若z ＝a ＋2b ，求z 的取值范围． (1)证明 求函数f (x )的导数 f ′(x )＝ax 2－2bx ＋2－b . 由函数f (x )在x ＝x 1处取得极大值， 在x ＝x 2处取得极小值， 知x 1，x 2是f ′(x )＝0的两个根， 所以f ′(x )＝a (x －x 1)(x －x 2)． 当x (2)解 在题设下，0 ? f ′(0)>0，f ′(1)<0， f ′(2)>0， 即????? 2－b >0，a －2b ＋2－b <0，4a －4b ＋2－b >0，化简得???? ? 2－b >0，a －3b ＋2<0，4a －5b ＋2>0. 此不等式组表示的区域为平面aOb 上的三条直线： 2－b ＝0，a －3b ＋2＝0,4a －5b ＋2＝0所围成的△ABC 的内部，其三个顶点分别为 A ????47，67，B (2,2)，C (4,2)． z 在这三点的值依次为16 7，6,8. 所以z 的取值范围为(16 7 ，8)． 11．某工厂生产某种产品，每日的成本C (单位：万元)与日产量x (单位：吨)满足函数关系式C ＝3＋x ，每日的销售额S (单位：万元)与日产量x 的函数关系式S ＝??? ?? 3x ＋k x －8＋5，0 14，x ≥6.已知每日的利润L ＝S －C ，且当x ＝2时，L ＝3. (1)求k 的值； (2)当日产量为多少吨时，每日的利润可以达到最大，并求出最大值． 解 (1)由题意可得L ＝????? 2x ＋k x －8＋2，0 11－x ，x ≥6. 因为当x ＝2时，L ＝3，所以3＝2×2＋k 2－8＋2， 解得k ＝18. (2)当0 x －8＋2，所以 L ＝2(x －8)＋18x －8＋18＝－[2(8－x )＋18 8－x ]＋18 ≤－2 2(8－x )·18 8－x ＋18＝6， 当且仅当2(8－x )＝18 8－x ，即x ＝5时取得等号． 当x ≥6时，L ＝11－x ≤5. 所以当x ＝5时，L 取得最大值6. 所以当日产量为5吨时，每日的利润可以达到最大，最大值为6万元．