金迅嬰 李盛

摘要：文章給出了2020年北京大學(xué)強(qiáng)基計(jì)劃數(shù)學(xué)試題第9題的多種解法，并作了變式探究和推廣.

關(guān)鍵詞：北京大學(xué)；強(qiáng)基計(jì)劃；不等式；變式推廣

中圖分類號(hào)：G632文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1008-0333（2022）28-0043-03

收稿日期：2022-07-05

作者簡(jiǎn)介：金迅嬰（1968-），男，浙江省東陽(yáng)人，從事高中數(shù)學(xué)教學(xué)研究；

李盛（1988-），男，浙江省東陽(yáng)人，本科，中學(xué)一級(jí)教師，從事高中數(shù)學(xué)教學(xué)研究.

1 題目呈現(xiàn)

題目（2020年北京大學(xué)強(qiáng)基計(jì)劃數(shù)學(xué)試題第9題）使得5x+12xy≤a（x+y）對(duì)所有正實(shí)數(shù)x，y都成立的實(shí)數(shù)a的最小值為（）.

A.8 B.9C.10D.前三個(gè)答案都不對(duì)

這一試題從外部結(jié)構(gòu)初看是含參不等式恒成立問題，但內(nèi)涵豐富，隱藏著豐富的函數(shù)思想，具有一定的探究?jī)r(jià)值.

2 題目解析

解法1（分離參數(shù)法1）由于x>0，y>0，分離參數(shù)，得a≥5x+12xyx+y.

進(jìn)一步得a≥5+12yx1+yx.

換元，令t=yx，轉(zhuǎn)化為關(guān)于t的不等式

a≥5+12t1+t2，t>0.

再用基本不等式法或求導(dǎo)法，求出函數(shù)y=5+12t1+t2（t>0）的最大值為9，也就是a的最小值為9.故選B.

解法2（分離參數(shù)法2）前面同解法1，換元，令t=5+12yx，顯然t>5，轉(zhuǎn)化為關(guān)于t的不等式

5+12yx1+yx=t1+t-5122

=144tt2-10t+169

=144t+169t-10

≤1442169-10=9，

當(dāng)且僅當(dāng)t=13時(shí)等號(hào)成立，即yx=49，因而a的最小值為9.故選B.

解法2比解法1簡(jiǎn)單，但不如下面的解法簡(jiǎn)捷.

解法3（待定常數(shù)法）引入待定常數(shù)λ>0，根據(jù)基本不等式，得

5x+12xy=5x+12λx·yλ

≤5+6λx+6yλ.

令5+6λ=6λ，可得λ=23.

因而5x+12xy≤9（x+y）.

當(dāng)且僅當(dāng)λx=yλ時(shí)等號(hào)成立，即yx=49.

故a的最小值為9.選B.

解題過程十分簡(jiǎn)潔！但不是解決這類問題的一般性方法.一般方法是化生為熟的基本不等式法.

解法4由于題給不等式對(duì)任意正數(shù)x，y恒成立，利用極限方法，令y→0，得ax≥5x.

又x>0，所以a≥5.

將題給不等式變形，得

12xy≤a-5x+ay.

兩邊同除xy，分離出常數(shù)12， 問題就轉(zhuǎn)化為

不等式a-5xy+ayx≥12對(duì)任意正數(shù)x，y恒成立，求a的最小值.

由于a-5xy+ayx≥2a-5a，當(dāng)且僅當(dāng)yx=a-5a時(shí)等號(hào)成立.

所以a-5xy+ayx的最小值為2a-5a.

故實(shí)數(shù)a應(yīng)滿足的條件為2a-5a≥12，解得a≥9.

所以a的最小值為9.故選B.

評(píng)注解法4先采用極限方法，先確定實(shí)數(shù)a的一個(gè)范圍， 再用分離法求解，是解決這類問題的一般方法.3 變式探究

前三種解法，一種比一種簡(jiǎn)潔.解法3中是令5+6λ=6λ，確定待定系數(shù)λ的值，受此啟發(fā)，求解過程中我們?nèi)绻?/p>

5+6λ=2×1λ，或5+6λ=32×1λ

分別會(huì)得出什么新結(jié)論？經(jīng)研究，有

變式1使得5x+12xy≤a（x+2y）對(duì)所有正實(shí)數(shù)x，y都成立的實(shí)數(shù)a的最小值為.

答案73+52.

變式2使得5x+12xy≤a（2x+3y）對(duì)所有正實(shí)數(shù)x，y都成立的實(shí)數(shù)a的最小值為.

答案612.

變式3（2022年4月陜西省渭南市二模理數(shù)第12題）若對(duì)任意的x，y>0，都有x+y+2xy≤a（2x+3y）成立，則實(shí)數(shù)a的最小值是（）.

A.45B.56C.63D.5+2612

解析利用柯西不等式，得

x+y+2xy=12·2x+13·3y2

≤12+132x+3y.

易知實(shí)數(shù)a的最小值是12+13=56，故選B.

還有很多變式，不一一列舉.

4 結(jié)論推廣

解法4中將題給不等式變形為12xy≤a-5x+ay，從結(jié)構(gòu)上看，類似于基本不等式2xy≤x+y，這啟發(fā)我們進(jìn)一步思考其推廣問題：

使不等式λn∏ni=1xi≤∑ni=1aixi對(duì)所有正數(shù)xi（i=1，2，…，n，n∈N，n≥2）都成立的實(shí)數(shù)ai（i=1，2，…，n），λ應(yīng)滿足什么條件？

經(jīng)研究，得

定理使不等式

λn∏ni=1xi≤∑ni=1aixi①對(duì)所有正數(shù)xi（i=1，2，…，n，n∈N，n≥2）都成立，則實(shí)數(shù)ai（i=1，2，…，n），λ應(yīng)滿足ai≥0（i=1，2，…，n），且λ≤nn∏ni=1ai.證明由于不等式①對(duì)任意正數(shù)xi（i=1，2，…，n）恒成立，采用極限方法，令xi→0（i=2，…，n），得a1x1≥0.

又x1>0，所以 a1≥0.

同理可得：a2≥0，a3≥0，…，an≥0.

將不等式①變形，問題轉(zhuǎn)化為：

不等式λ≤∑ni=1aixin∏ni=1xi對(duì)任意正數(shù)xi（i=1，2，…，n，n∈N，n≥2）恒成立，實(shí)數(shù)ai≥0（i=1，2，…，n），λ應(yīng)滿足什么條件？

應(yīng)用n元的算術(shù)——幾何平均值不等式，可得

∑ni=1aixin∏ni=1xi≥nn∏ni=1aixin∏ni=1xi=nn∏ni=1ai，

且等號(hào)在a1x1=a2x2=…=anxn時(shí)成立.

所以λ≤nn∏ni=1ai.

這樣一來，用同一方法，就把問題推廣到了n元加權(quán)的算術(shù)——幾何平均值不等式有關(guān)的恒成立問題.

練習(xí)已知不等式a（x+y）≥kx+λxy對(duì)任意正數(shù)x，y恒成立，求實(shí)數(shù)a的最小值（用正實(shí)數(shù)k，λ表示）.

解析已知不等式可化為

a-kx+ay≥λxy

由定理，知應(yīng)滿足的條件為.

a≥0，a-k≥0，λ≤2aa-k，

即a≥0，a≥k+k2+λ22，a≥k.

由于k+k2+λ22>k，

所以amin=k+k2+λ22.

評(píng)注當(dāng)k=5，λ=12時(shí)，就得2020年北京大學(xué)強(qiáng)基數(shù)學(xué)試題第9題的答案amin=k+k2+λ22=9.本例從結(jié)構(gòu)上推廣到了一般情形：

若不等式a（x+y）≥kx+λxy對(duì)任意正數(shù)x，y，k，λ恒成立，則實(shí)數(shù)a的最小值為k+k2+λ22.

參考文獻(xiàn)：

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