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【代数】不等式基础

【代数】不等式基础

作者: 备考999天 | 来源:发表于2020-07-27 20:54 被阅读0次

题1 x\in \mathbb R,解不等式:
(1) \frac{x^3-7x-6}{x^4-2x^3-x^2-2x+1} \ge 0
(2) x+\sqrt{x-1} <2
(3) x-\sqrt{2x^2-3x-8} <2
(4) \sqrt{3-x}+\sqrt{2x-1}>2

(1)x^3-7x-6
=x^3-x-6x-6
=x(x-1)(x+1)-6(x+1)
=(x+1)(x+2)(x-3)

x^4-2x^3-x^2-2x+1
=x^2[(x^2+\frac{1}{x^2})-2(x+\frac{1}x)-1]
=x^2[(x+\frac{1}x)^2-2(x+\frac{1}x)-3]
=x^2(x+\frac{1}x-3)(x+\frac{1}x+1)
=(x^2-3x+1)(x^2+x+1)
=(x-\frac{3+\sqrt5}{2})(x-\frac{3-\sqrt5}{2})(x^2+x+1)

原不等式\Leftrightarrow \frac{(x+1)(x+2)(x-3)}{(x-\frac{3+\sqrt5}{2})(x-\frac{3-\sqrt5}{2})(x^2+x+1)} \ge 0
\Leftrightarrow \begin{cases} (x+1)(x+2)(x-3)(x-\frac{3+\sqrt5}{2})(x-\frac{3-\sqrt5}{2}) \ge 0 \\ x \ne \frac{3+\sqrt5}{2} \\ x \ne \frac{3-\sqrt5}{2} \end{cases}
\Leftrightarrow x\ge 3\frac{3-\sqrt5}{2}< x < \frac{3+\sqrt5}{2}-2 \le x \le -1\blacksquare

(2) 解法1 \sqrt{x-1}=u,则x=u^2+1,原不等式等价于:
\begin{cases} u^2+u-1 < 0 \\ u\ge 0 \end{cases}
\Leftrightarrow 0\le u < \frac{\sqrt5-1}{2}
\Leftrightarrow \begin{cases} x \ge 1 \\ \sqrt{x-1} < \frac{\sqrt5-1}2 \end{cases}
\Leftrightarrow 1 \le x < \frac{5-\sqrt5}2

解法2 原不等式等价于
\sqrt{x-1} <2-x
\Leftrightarrow \begin{cases} x \ge 1 \\ x \le 2 \\ x-1 < (2-x)^2 \end{cases}
\Leftrightarrow \begin{cases} 1 \le x \le 2 \\ x>\frac{5+\sqrt5}{2}或x<\frac{5-\sqrt5}{2} \end{cases}
1 \le x < \frac{5-\sqrt5}{2}\blacksquare

(3)原不等式等价于
x-2 < \sqrt{2x^2-3x-8}
\Leftrightarrow \begin{cases} x \ge 2 \\ 2x^2-3x-8 \ge 0 \\ (x-2)^2 <2x^2-3x-8 \end{cases}\begin{cases} x < 2 \\ 2x^2-3x-8 \ge 0 \end{cases}

\Leftrightarrow \begin{cases} x \ge 2 \\ x \ge \frac{3+\sqrt{73}}{4}或x \le \frac{3-\sqrt{73}}{4}\\ x>3或x<-4 \end{cases}
x\le \frac{3-\sqrt{73}}{4}
\Leftrightarrow x>3或x\le\frac{3-\sqrt{73}}{4}\blacksquare

(4)原不等式等价于
\Leftrightarrow \begin{cases} 3-x \ge 0 \\ 2x-1 \ge 0 \\ 3-x+ 2x-1+2\sqrt{(3-x)( 2x-1)} > 4 \end{cases}
\Leftrightarrow \begin{cases} \frac{1}{2} \le x \le 3 \\ 2\sqrt{(3-x)(2x-1)} \ge 2-x \end{cases}
\Leftrightarrow \begin{cases} \frac{1}{2} \le x \le 2 \\ 4(3-x)(2x-1) \ge (2-x)^2 \end{cases}

2< x\le 3
\Leftrightarrow
\frac{16-4\sqrt7}{9} < x \le 3\blacksquare


题2 x\in \mathbb R,求以下函数的取值范围:
(1) y=\frac{2-x}{2x^2+2x+1}
(2) y=\frac{2-x}{\sqrt{2x^2+2x+1}}
(3) y=2-x+\sqrt{x-1}
(4) y=x-\sqrt{x^2+2x-3}
(5) y=\frac{2x+1}{x^2+2x-3}
(6) y=\sqrt{3x+2}+\sqrt{1-x}
(7) y=\sqrt{3x+2}+\sqrt{1-x}+\sqrt{x+1}
(1) 解法1t=2-x,则x=2-t,那么:
2x^2+2x+1=2t^2-10t+13
所以
y=\frac{t}{2t^2-10t+13}
t=0时,y=0
t\ne 0时,y=\frac{1}{-10+2t+\frac{13}{t}}
因为
2t+\frac{13}t \ge 2\sqrt{26}2t+\frac{13}t \le -2\sqrt{26}
所以
-\frac{1}{2\sqrt{26}+10} \le y \le \frac{1}{2\sqrt{26}-10}

解法2 原式变为:
2yx^2+(2y+1)x+(y-2)=0(2.1)
因为函数y的定义域为\mathbb R,所以原问题变为求y的取值范围,使得关于x的方程(2.1)有实根。
y=0时,x=2为方程(2.1)的实根;
y\ne 0时,方程(2.1)有实根的充分不要条件是:
\Delta =(2y+1)^2-4\times 2y\times (y-2)=-4y^2+20y+1 \ge 0
解得:
\frac{5-\sqrt{26}}{2} \le y \le \frac{5+\sqrt{26}}{2}

(2) 令t=2-x,则x=2-t,那么:
y=\frac{t}{\sqrt{2t^2-10t+13}}
t=0,即x=2时,y=0
t\ne 0,即x \ne2时,变形如下:
y=\frac{1}{\sqrt{2-10\frac{1}t+\frac{13}{t^2}}} = \frac{1}{\sqrt{13(\frac{1}t-\frac{5}{13})^2+\frac{1}{13}}} \le \sqrt{13}(t>0)
y=-\frac{1}{\sqrt{2-10\frac{1}t+\frac{13}{t^2}}} = -\frac{1}{\sqrt{13(\frac{1}t-\frac{5}{13})^2+\frac{1}{13}}} > -\frac{\sqrt{2}}{2} (t<0)
综上所述,-\frac{\sqrt{2}}{2}<y \le \sqrt{13}\blacksquare

评注 我们很容易想到这种方法,原式变形为:
(2y^2-1)x^2+(2y^2+4)x+y^2-4=0(2.2)
原问题变为求y的范围,使方程(1.2)有实数解。
y=\frac{\sqrt2}{2}时,(1.2)显然有实数解;
y\ne 0时,\Delta \ge0,即:
(2y^2+4)^2-4(y^2-4)(2y^2-1) \ge 0
解得:-\sqrt{13} \le y \le \sqrt{13}\blacksquare

我们发现,用平方把根式不等式转变为整式不等式,会多出一大段增集[-\sqrt{13},-\frac{\sqrt2}{2}]。为什么会这样?不等式在平方运算时,解集扩大一整段,如:
\{y|-1<y <\sqrt3\}\subset \{y^2|y^2<\sqrt3\}\wedge \{y|-1<y <\sqrt3\}\ne \{y^2|y^2<\sqrt3\}
增集的扩大是一段数集,难以验算。而把分式不等式变为整式不等式,虽然也有增集,但增集是有限的,容易排除。

(3) 令\sqrt{x-1}=t,则2-x=-t^2+1,t\ge 0,所以:
y=-t^2+t+1=-(t-\frac{1}2)^2+\frac{5}4
因为t\ge0,所以:
1 \le y \le \frac{5}4

(4) 函数的定义域为\{x|x^2+2x-3 \ge 0\}=(-\infty,-3]\cup [1,infty)
原式变为:(y-x)^2=x^2+2x-3 (2.3)
y=-1时,关于x的方程(2.3)无解;
所以
y\ne-1(2.4)
于是得:
x=\frac{y^2+3}{2y+2}
由定义域知:
\frac{y^2+3}{2y+2} \le -3(2.5)

\frac{y^2+3}{2y+2} \ge 1(2.6)

(2.5)\Leftrightarrow \frac{y^2+6x+9}{2y+2}=\frac{(y+3)^2}{2y+2} \le 0
\Leftrightarrow y < -1 (2.7)

(2.6)\Leftrightarrow \frac{y^2-2y+1}{2y+2} = \frac{(y-1)^2}{2y+2} \ge 1
\Leftrightarrow y > -1 (2.8)

另外,由y-x=-\sqrt{x^2+2x-3}知:
y-x \le 0
即:
y-\frac{y^2+3}{2y+2} \le 0
这等价于:
\begin{cases} (y+3)(y+1)(y-1) \le 0 \\ y \ne 1 \end{cases}
\Leftrightarrow y \le -3-1 < y \le 1 (2.9)

由(2.4)(2.7)(2.9)得:
y \le -3-1 < y \le 1

(5) y=\frac{2x+1}{x^2+2x-3}
\Leftrightarrow yx^2+(2y-2)x-3y-1=0 (x\ne 1,-3) (2.10)
问题变为求y的取值范围,使方程有根且根不等于1与-3。
y=0时,方程(2.10)显然有根;
y\ne0时,\Delta=4(y^2-2y+1)+12y^2+4y=16y^2-4y+4\ge 0(2.11)
不等式(2.11)对于任意的y成立。
综上,y的取值范围是实数。

(6) y=\sqrt{3x+2}+\sqrt{1-x}
\sqrt{3x+2}=u,\sqrt{1-x}=v
u^2+3v^2=5
5=u^2+3v^2 \ge u^2+\frac{v^2}{\frac{1}3}
\ge\frac{(u+v)^2}{\frac{4}{3}}
所以,(u+v)^2\le \frac{20}{3}
即,-\sqrt{\frac{20}{3}} \le u+v \le \sqrt{\frac{20}{3}}
x=\frac{7}{12}时, y_{max}=\sqrt{\frac{20}{3}}

另一方面,函数的定义域为[-\frac{2}{3},1],根据单调性,区间端点取最小值,且:
y_{x=1}=\sqrt{5}
y_{x=-\frac{2}3}=\sqrt{\frac{5}3}
所以,y_{min}=y_{x=-\frac{2}3}=\sqrt{\frac{5}3}
所以,y的取值范围是[\sqrt{\frac{5}3},\frac{20}{3}]


题3 已知x,y\in \mathbb R,x^2+2y^2=1,求2x+y的最大值。


题4 已知x,y\in \mathbb R,x+2y+3z=1,求2x^2+y^2+z^2的最小值。


题5 x\in \mathbb R,求\sqrt{2-x}+\sqrt{4x-3}的最大值。


题6 x\in \mathbb R,求下列函数的最大值:
(1) y=(x-2)(2x+3)
(2) y=(1+x)^5(1-x)(1-2x)^2,x∈[1/2,1]


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