均值不等式与函数f(x)=x+a/x(a>0)

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   【摘要】均值不等式成立的条件不具备时,如何求解?本文提供了“对构函数”的解题方法.
  【关键词】均值不等式;均值不等式成立的条件;“对勾函数”的性质及解题方法
  高中数学教学中均值不等式a+b2≥ab(a>0,b>0,当且仅当a=b时取“=”)有着重要的地位,在求相关的最大值、最小值问题中通常情况下有不可替代的作用.在应用中需要注意其必须满足三个条件:一正二定三验证.“一正”就是各项必须为正数.“二定”是指要求和的最小值时,构成和的两项之积必须转化为定值;要求积的最大值时,则必须把构成积的因式的和转化为定值.“三验证”是指在利用均值不等式求最值时必须验证等号成立的条件是否具备.如果等号取不到,则这个定值就不是所求的最值,这也是最容易发生错误的地方.下面举例说明它的应用及“三验证”不满足时如何求最值.
  例 ①已知x>0,y>0,且1x+9y=1,求x+y的最小值.
  ②已知x<54,求函数y=4x-2+14x-5的最大值.
  ③求y=sin2x+4sin2x的值域.
  解 ①∵x>0,y>0,1x+9y=1,
  ∴x+y=(x+y)1x+9y
  =yx+9xy+10≥6+10=16.
  当且仅当yx=9xy时,上式等号成立.
  又 1x+9y=1,∴x=4,y=12时,(x+y)min=16.
  ②∵x<54,∴5-4x>0,
  y=4x-2+14x-5=-5-4x+15-4x+3
  ≤-2(5-4x)•15-4x+3=1.
  
  当且仅当5-4x=15-4x,即x=1时,上式等号成立.
  故当x=1时,ymax=1.
  ③f(x)=sin2x+4sin2x≥2sin2x•4sin2x=2×2=4.
  当且仅当sin2x=4sin2x,即sinx=±2时,上式等号成立.
  而我们知道sinx≠±2,故上式等号取不到.
  所以ymax≠4,那么如何求此函数的最值呢?
  在此引进对勾函数,f(x)=x+ax(a>0),它是奇函数,用定义法或者导数法很容易证明f(x)=x+ax(a>0)在其定义域上的单调性.下面用导数法予以证明.
  证明 ∵f′(x)=1-ax2,
  令f′(x)=1-ax2≥0,解得x≤-a或x≥a.
  也就是说f(x)在(-∞,-a]和[a,+∞)是单调增加的,易得在[-a,0)及(0,a]单调递减的.它的图像如图.
  
  由图可知x>0时,f(x)=x+ax≥f(a)=2a.
  这与均值不等式是吻合的.
  现在来研究③题:令t=sin2x,则t∈(0,1],函数可化为f(t)=t+4t,t∈(0,1],由于用均值不等式求最小值,“三验证”不成立,由“对勾函数”可知f(t)=t+4t,在t∈(0,1]单调递减.
  ∴f(t)=t+4t≥f(1)=1+41=5.
  故f(x)=sin2x+4sin2x的值域为[5,+∞).
  因此均值不等式是“对勾函数”的特殊情况,“对勾函数”是均值不等式的推广和有力补充.这样的题目还有许多,读者在解题的过程中加以理解和应用.
  
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