二维形式的柯西不等式知识讲解
二维形式的柯西不等式证明
二维形式的柯西不等式证明柯西不等式是数学中基本的不等式之一，在计算机科学、物理学、统计学等领域中都有广泛的应用。
本文将介绍柯西不等式的二维形式，并给出其证明过程。
柯西不等式的二维形式表述如下：设a1, a2, b1, b2为任意实数，则有：(a1^2+a2^2)×(b1^2+b2^2)≥(a1b1+a2b2)^2其中，等号当且仅当a1b2=a2b1时成立。
下面是柯西不等式的证明过程：首先，我们将(b1, b2)视为一个向量b，(a1, a2)视为一个向量a，则柯西不等式的二维形式可以写成：|a|×|b|×cosθ≥a·b其中，|a|和|b|分别表示向量a和向量b的模，θ表示向量a和向量b之间的夹角，a·b表示向量a和向量b的点积。
接下来，我们将a向量和b向量分别写成坐标形式：a=(a1, a2), b=(b1, b2)则有：|a|×|b|×cosθ=√(a1^2+a2^2)×√(b1^2+b2^2)×cosθ而a·b=a1b1+a2b2因此，柯西不等式的二维形式可以重新写成：√(a1^2+a2^2)×√(b1^2+b2^2)×cosθ≥a1b1+a2b2接下来，我们考虑将右侧的a1b1和a2b2变形，即：(a1b1+a2b2)^2-(a1b2-a2b1)^2这个变形的原理是差平方公式。
然后，我们将这个式子带回到柯西不等式的二维形式中，得到：√(a1^2+a2^2)×√(b1^2+b2^2)×cosθ≥(a1b1+a2b2)^2-(a1b2-a2b1)^2由于(a1b2-a2b1)^2≥0，因此右侧的式子比柯西不等式的右侧更小或相等。
因此，我们得到了柯西不等式的二维形式：√(a1^2+a2^2)×√(b1^2+b2^2)×cosθ≥a1b1+a2b2其中，等号当且仅当a1b2=a2b1时成立。
思维拓展 柯西不等式与权方和不等式的应用(新高考通用)解析版
思维拓展 柯西不等式与权方和不等式(精讲+精练)一、知识点梳理一、柯西不等式1.二维形式的柯西不等式(a 2+b 2)(c 2+d 2)≥(ac +bd )2(a ,b ,c ,d ∈R ,当且仅当ad =bc 时,等号成立.)2.二维形式的柯西不等式的变式(1)a 2+b 2⋅c 2+d 2≥ac +bd (a ,b ,c ,d ∈R ,当且仅当ad =bc 时,等号成立.)(2)a 2+b 2⋅c 2+d 2≥ac +bd (a ,b ,c ,d ∈R ,当且仅当ad =bc 时,等号成立.)(3)(a +b )(c +d )≥(ac +bd )2(a ,b ,c ,d ≥0,当且仅当ad =bc 时，等号成立.)3.扩展：a 21+a 22+a 23+⋯+a 2n b 21+b 22+b 23+⋯+b 2n ≥(a 1b 1+a 2b 2+a 3b 3+⋯+a n b n )2，当且仅当a 1:b 1=a 2:b 2=⋯=a n :b n 时，等号成立.注：有条件要用；没有条件，创造条件也要用.比如，对a 2+b 2+c 2，并不是不等式的形状，但变成13•12+12+12 •a 2+b 2+c 2 就可以用柯西不等式了.二、权方和不等式权方和不等式：若a ,b ,x ,y >0，则a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y ，当且仅当a x =by 时，等号成立.证明1：∵a ,b ,x ,y >0要证a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y 只需证ya 2+xb 2xy ≥(a +b )2x +y即证xya 2+y 2a 2+x 2b 2+xyb 2≥xya 2+2xyab +xyb 2故只要证y 2a 2+x 2b 2≥2xyab (ya −xb )2≥0当且仅当ya −xb =0时，等号成立即a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y ，当且仅当a x =by时，等号成立.证明2：对柯西不等式变形，易得a 2x +b 2y(x +y )≥(a +b )2在a ,b ,x ,y >0时，就有了a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y当a x =by时，等号成立．推广1：a 2x +b 2y +c 2z ≥(a +b +c )2x +y +z ,当a x =b y =c z时，等号成立．推广:2：若a i >0,b i >0，则a 21b 1+a 22b 2+⋯+a 2nb n ≥(a 1+a 2+⋯+a n )2b 1+b 2+⋯+b n，当a i =λb i 时，等号成立.推广3：若a i >0,b i >0,m >0，则a m +11b m 1+a m +12b m 2+⋯+a m +1nb m n≥(a 1+a 2+⋯+a n )m +1b 1+b 2+⋯+b nm，当a i =λb i 时，等号成立.二、题型精讲精练1实数x 、y 满足x 2+y 2=4，则x +y 的最大值是.解：x 2+y 2 12+12 ≥x +y 2，则8≥x +y 2所以x +y ≤22，当且仅当x =y =2时等号成立.答案：222设x ,y ,z ∈R ，且x +y +z =1.(1)求(x -1)2+(y +1)2+(z +1)2的最小值；(2)若(x -2)2+(y -1)2+(z -a )2≥13成立，证明：a ≤-3或a ≥-1.【分析】(1)根据条件x +y +z =1，和柯西不等式得到(x -1)2+(y +1)2+(z +1)2≥43，再讨论x ,y ,z 是否可以达到等号成立的条件.(2)恒成立问题，柯西不等式等号成立时构造的x ,y ,z 代入原不等式，便可得到参数a 的取值范围.【详解】(1)[(x -1)2+(y +1)2+(z +1)2](12+12+12)≥[(x -1)+(y +1)+(z +1)]2=(x +y +z +1)2=4故(x -1)2+(y +1)2+(z +1)2≥43等号成立当且仅当x -1=y +1=z +1而又因x +y +z =1，解得x =53y =-13z =-13时等号成立，所以(x -1)2+(y +1)2+(z +1)2的最小值为43.(2)因为(x -2)2+(y -1)2+(z -a )2≥13，所以[(x -2)2+(y -1)2+(z -a )2](12+12+12)≥1.根据柯西不等式等号成立条件，当x -2=y -1=z -a ，即x =2-a +23y =1-a +23z =a -a +23 时有[(x -2)2+(y -1)2+(z -a )2](12+12+12)=(x -2+y -1+z -a )2=(a +2)2成立.所以(a +2)2≥1成立，所以有a ≤-3或a ≥-1.3已知a >1,b >12，且2a +b =3，则1a -1+12b -1的最小值为()A.1B.92C.9D.12【详解】因为2a +b =3，所以4a +2b =6由权方和不等式a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y可得1a -1+12b -1=44a -4+12b -1=224a -4+122b -1≥2+1 24a -4+2b -1=9当且仅当24a -4=12b -1，即a =76,b =23时，等号成立．【答案】C【题型训练-刷模拟】1.柯西不等式一、单选题4(2024·全国·模拟预测)柯西不等式最初是由大数学家柯西(Cauchy )在研究数学分析中的“流数”问题时得到的.而后来有两位数学家Buniakowsky 和Schwarz 彼此独立地在积分学中推而广之，才能将这一不等式应用到近乎完善的地步.该不等式的三元形式如下：对实数 a 1,a 2,a 3 和 b 1,b 2,b 3 ，有a 21+a 22+a 23 b 21+b 22+b 23 ≥a 1b 1+a 2b 2+a 3b 3 2等号成立当且仅当a 1b 1=a 2b 2=a3b 3已知 x 2+y 2+z 2=14 ，请你用柯西不等式，求出 x +2y +3z 的最大值是()A.14 B.12C.10D.8【答案】A 【分析】利用柯西不等式求出即可.【详解】由题干中柯西不等式可得x +2y +3z 2≤x 2+y 2+z 2 12+22+32 =14×14=196，所以x +2y +3z 的最大值为14，当且仅当x =1,y =2,z =3时取等号.故选：A5(23-24高二下·山东烟台·阶段练习)已知空间向量OA =1,12,0 ,OB =1,2,0 ,OC =0,1,12，OP =xOA +yOB +zOC ，且x +2y +z =2，则OP 的最小值为()A.2B.3C.2D.4【答案】B【分析】由空间向量的坐标表示计算OP =xOA +yOB +zOC ，然后由柯西不等式求解即可.【详解】因为OP =xOA +yOB +zOC =x 1,12,0 +y 1,2,0 +z 0,1,12 =x +y ,12x +2y +z ,12z ，所以OP 2=x +y 2+12x +2y +z 2+12z 2=13x +y 2+12x +2y +z 2+12z 2 1+1+1 ≥13x +y +12x +2y +z +12z2=1332x +3y +32z 2=34x +2y +z 2=3，当且仅当x +y =12x +2y +z =12z 时等号成立，即x =2,y =-1,z =2时等号成立.所以OP ≥3，所以OP 的最小值为 3.故选：B二、填空题6(2024·山西·二模)柯西不等式是数学家柯西(Cauchy )在研究数学分析中的“流数”问题时得到的一个重要不等式，而柯西不等式的二维形式是同学们可以利用向量工具得到的：已知向量a=x 1,y 1 ，b =x 2,y 2 ，由a ⋅b ≤a b 得到x 1x 2+y 1y 2 2≤x 21+y 21 x 22+y 22 ，当且仅当x 1y 2=x 2y 1时取等号.现已知a ≥0，b ≥0，a +b =9，则2a +4+b +1的最大值为.【答案】6【分析】令x 1=2,y 1=1,x 2=a +2,y 2=b +1，代入公式即可得解.【详解】令x 1=2,y 1=1,x 2=a +2,y 2=b +1，又a ≥0，b ≥0，a +b =9，所以2a +4+b +1 2≤2+1 a +2+b +1 =3×12=36，所以2a +4+b +1≤6，当且仅当2⋅b +1=a +2，即a =6,b =3时取等号，所以2a +4+b +1的最大值为6.故答案为：67(22-23高二下·浙江·阶段练习)已知x 2+y 2+z 2=1，a +3b +6c =16，则x -a 2+y -b 2+z -c 2的最小值为.【答案】9【分析】根据柯西不等式求解最小值即可.【详解】∵a +3b +6c =16≤12+32+6 2a 2+b 2+c 2=4a 2+b 2+c 2∴a 2+b 2+c 2≥4,当且仅当a 1=b 3=c6时等号成立，即a =1,b =3,c =6，∵x -a 2+y -b 2+z -c 2=1-2xa +by +cz +a 2+b 2+c 2≥1-2x 2+y 2+z 2a 2+b 2+c 2+a 2+b 2+c 2=1-2a 2+b 2+c 2+a 2+b 2+c 2=a 2+b 2+c 2-1 2≥9，当且仅当a x =b y =c z 时等号成立，可取x =14,y =34,z =64故答案为：98(22-23高一·全国·课堂例题)若不等式x +y ≤k 5x +y 对任意正实数x ，y 都成立，则实数k的最小值为.【答案】305/1530【分析】运用柯西不等式进行求解即可.【详解】由柯西不等式的变形可知5x +y =x 215+y21≥x +y15+1，整理得x +y5x +y≤305，当且仅当x15=y 1，即y =25x 时等号成立，则k 的最小值为305.故答案为：3059(22-23高三上·河北衡水·期末)若⊙C ：x -a 2+y -b 2=1，⊙D ：x -6 2+y -8 2=4，M ，N 分别为⊙C ，⊙D 上一动点，MN 最小值为4，则3a +4b 取值范围为．【答案】15,85【分析】先根据MN 的最小值求出CD =7，即a -6 2+b -8 2=49，再使用柯西不等式求出取值范围.【详解】由于MN 最小值为4，圆C 的半径为1，圆D 的半径为2，故两圆圆心距离CD =4+1+2=7，即a -6 2+b -8 2=49，由柯西不等式得：a -6 2+b -8 2 ⋅32+42 ≥3a -6 +4b -8 2，当且仅当a -63=b -84，即a =515,b =685时，等号成立，即3a +4b -50 2≤25×49，解得：15≤3a +4b ≤85.故答案为：15,8510已知正实数a ，b ，c ，d 满足a +b +c +d =1，则1a +b +c +1b +c +d +1c +d +a +1d +a +b的最小值是．【答案】163/513【分析】利用配凑法及柯西不等式即可求解.【详解】由题意可知，1a +b +c +1b +c +d +1c +d +a +1d +a +b=133a +b +c +d ×1a +b +c +1b +c +d +1c +d +a +1d +a +b=13a +b +c +b +c +d +c +d +a +d +a +b ×(1a +b +c +1b +c +d +1c +d +a +1d +a +b)≥131+1+1+1 2=163，当且仅当a =b =c =d =14时取“=”号．所以原式的最小值为163．故答案为：163.三、解答题11(2024·四川南充·三模)若a ，b 均为正实数，且满足a 2+b 2=2.(1)求2a +3b 的最大值；(2)求证：4≤a 3+b 3 a +b ≤92.【答案】(1)26(2)证明见解析【分析】(1)利用柯西不等式直接求解；(2)由分析法转化为求证4≤4+2ab -2a 2b 2≤92，换元后由函数单调性得证.【详解】(1)由柯西不等式得：a 2+b 2 22+32 ≥2a +3b 2，即2a +3b 2≤26，故2a +3b ≤26，当且仅当3a =2ba 2+b 2=2 ，即a =22613b =32613时取得等号，所以2a +3b 的最大值为26.(2)要证：4≤a 3+b 3 a +b ≤92，只需证：4≤a 4+b 4+ab a 2+b 2 ≤92，只需证：4≤a 2+b 2 2+ab a 2+b 2 -2a 2b 2≤92，即证：4≤4+2ab -2a 2b 2≤92，由a ，b 均为正实数，且满足a 2+b 2=2可得2=a 2+b 2≥2ab ，当且仅当a =b 时等号成立，即0<ab ≤1，设ab =t ∈(0,1]，则设f t =-2t 2+2t +4,t ∈0,1 ，∵f (x )在0,12 上单调递增，在12,1 上单调递减，又f (0)=f (1)=4,f 12=94，∴4≤f t ≤92，即4≤a 3+b 3 a +b ≤92.12(2024·四川·模拟预测)已知a ,b ,c 均为正实数，且满足9a +4b +4c =4．(1)求1a +1100b-4c 的最小值；(2)求证：9a2+b2+c2≥1641.【答案】(1)12 5(2)证明见解析【分析】(1)结合已知等式，将1a+1100b-4c化为1a+9a+1100b+4b-4，利用基本不等式，即可求得答案；(2)利用柯西不等式，即可证明原不等式.【详解】(1)因为a,b,c均为正实数，9a+4b+4c=4，所以1a+1100b-4c=1a+1100b+9a+4b-4=1a+9a+1100b+4b-4≥21a×9a+21100b ×4b-4=125，当且仅当1a=9a1100b=4b，即a=13,b=120,c=15时等号成立．(2)证明：根据柯西不等式有9a2+b2+c232+42+42≥(9a+4b+4c)2=16，所以9a2+b2+c2≥16 41．当且仅当3a3=b4=c4，即a=441,b=c=1641时等号成立，即原命题得证.13(2024高三·全国·专题练习)已知实数a，b，c满足a+b+c=1．(1)若2a2+b2+c2=12，求证：0≤a≤2 5；(2)若a，b，c∈0,+∞，求证：a21-a +b21-b+c21-c≥12．【答案】(1)证明见解析(2)证明见解析【分析】(1)由题意可得b+c=1-a，又12-2a2=b2+c2，结合基本不等式可得12-2a2≥1-a22，化简求得0≤a≤25，得证；(2)法一，由已知条件得a21-a +1-a4≥2a21-a⋅1-a4=a，同理可得b21-b+1-b4≥b，c21-c+1-c 4≥c，三式相加得证；法二，根据已知条件可得121-a+1-b+1-c=1，所以a21-a+b2 1-b +c21-c=121-a+1-b+1-ca21-a+b21-b+c21-c，利用柯西不等式求解证明.【详解】(1)因为a+b+c=1，所以b+c=1-a．因为2a2+b2+c2=1 2，所以12-2a2=b2+c2≥b+c22=1-a22，当且仅当b=c时等号成立，整理得5a2-2a≤0，所以0≤a≤2 5．(2)解法一：因为a+b+c=1，且a，b，c∈0,+∞，所以1-a>0，1-b>0，1-c>0，所以a21-a+1-a4≥2a21-a⋅1-a4=a，同理可得b21-b+1-b4≥b，c21-c+1-c4≥c，以上三式相加得a21-a+b21-b+c21-c≥54a+b+c-34=12，当且仅当a=b=c=13时等号成立．解法二：因为a+b+c=1，且a，b，c∈0,+∞，所以1-a>0，1-b>0，1-c>0，且121-a+1-b+1-c=1，所以a21-a+b21-b+c21-c=121-a+1-b+1-ca21-a+b21-b+c21-c≥121-a⋅a1-a+1-b⋅b1-b+1-c⋅c1-c2=12a+b+c2=12，当且仅当a=b=c=13时等号成立．2.权方和不等式一、填空题14已知x>-1，y>0且满足x+2y=1，则1x+1+2y的最小值为．【答案】9 2【分析】由x>-1知：x+1>0，为保证分母和为定值，对所求作适当的变形1x+1+2y=1x+1+42y，然后就可以使用权方和不等式了.【解析】1a-2b +4b=1a-2b+123b≥1+122a-2b+3b=14+46(等号成立条件，略).15已知x>0，y>0，且x+y=1则x2x+2+y2y+1的最小值是．【答案】1 4【解析】x2x+2+y2y+1≥x+y2x+y+3=14当xx+2=yy+1，即x=23,y=13时，等号成立．16已知a >0，b >0，且2a +2+1a +2b=1，则a +b 的最小值是．【答案】12+2【解析】1=2a +2+1a +2b ≥2+1 22a +2b +2当2a +2=1a +2b，即a =2,b =12时，等号成立，a +b min =12+2．17(23-24高一上·辽宁沈阳·阶段练习)权方和不等式作为基本不等式的一个变化，在求二元变量最值时有很广泛的应用，其表述如下：设a ,b ,x ,y >0，则a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y ，当且仅当a x =b y 时等号成立.根据权方和不等式，函数f x =2x +91-2x 0<x <12的最小值．【答案】25【分析】由f x =2x +91-2x =42x +91-2x ，再利用权方和不等式即可得解.【详解】由0<x <12，得1-2x >0，由权方和不等式可得f x =2x +91-2x =42x +91-2x ≥2+3 22x +1-2x=25，当且仅当22x =31-2x ，即x =15时取等号，所以函数f x =2x +91-2x 0<x <12的最小值为25.故答案为：25.18(2023高三·全国·专题练习)已知正数x ，y ，z 满足x +y +z =1，则x 2y +2z +y 2z +2x +z 2x +2y 的最小值为【答案】13【分析】根据权方和不等式可得解.【详解】因为正数x ，y 满足x +y +z =1，所以x 2y +2z +y 2z +2x +z 2x +2y ≥x +y +z 2y +2z +z +2x +x +2y =13，当且仅当x y +2z =y z +2x =z x +2y 即x =y =z =13时取等号.故答案为：13.19(2023高三·全国·专题练习)已知x +2y +3z +4u +5v =30，求x 2+2y 2+3z 2+4u 2+5v 2的最小值为【答案】60【分析】应用权方和不等式即可求解.【详解】x 2+2y 2+3z 2+4u 2+5v 2=x 21+2y 22+3z 23+4u 24+5v 25≥x +2y +3z +4u +5v 21+2+3+4+5=30215=60当且仅当x =y =z =u =v 时取等号故答案为：6020(2023高三·全国·专题练习)已知θ为锐角，则1sin θ+8cos θ的最小值为.【答案】55【分析】利用权方和不等式：b n +1a n +d n +1c n ≥b +d n +1a +cn求解.【详解】1sin θ+8cos θ=132sin 2θ12+432cos 2θ12≥1+432sin 2θ+cos 2θ12=532=55当且仅当1sin 2θ=4cos 2θ即sin θ=55，cos θ=255时取“=”.故答案为：5521(2023高三·全国·专题练习)已知正实数x 、y 且满足x +y =1，求1x 2+8y 2的最小值.【答案】27【分析】设x =cos 2α，y =sin 2α，α∈0,π2 ，由权方和不等式计算可得.【详解】设x =cos 2α，y =sin 2α，α∈0,π2，由权方和不等式，可知1x 2+8y 2=13cos 2α 2+23sin 2α 2≥1+2 3cos 2α+sin 2α2=27，当且仅当1cos 2α=2sin 2α，即x =13，y =23时取等号，所以1x 2+8y 2的最小值为27.故答案为：2722(2024高三·全国·专题练习)已知a >1,b >1，则a 2b -1+b 2a -1的最小值是．【答案】8【分析】利用权方和不等式求解最值即可.【详解】令a +b -2=t >0，则a 2b -1+b 2a -1≥a +b 2a +b -2=t +2 2t =t +4t +4≥24+4=8，当a +b -2=2a b -1=ba -1时，即a =2,b =2时，两个等号同时成立，原式取得最小值8．故答案为：823(2023高三·全国·专题练习)已知实数x ，y 满足x >y >0，且x +y =2，M =3x +2y +12x -y的最小值为.【答案】85/1.6【分析】巧妙运用权方和不等式求解和式的最小值问题，关键是找到所求式的两个分母与题设和式的内在联系.【详解】要求最小值，先来证明权方和不等式，即：∀a >0,b >0,x >0,y >0,有a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y ,当且仅当a x =by时取等号.证明：利用柯西不等式：m ,n ,x ,y >0,(m 2+n 2)(x 2+y 2)≥(mx +ny )2，当且仅当m x =ny时取等号，要证a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y ,只须证(x +y )a 2x +b 2y≥(a +b )2，因a >0,b >0,x >0,y >0,则(x +y )a 2x +b 2y =[(x )2+(y )2]ax2+b y2≥x ⋅a x +y ⋅by2=(a +b )2,当且仅当xax=yby时，即a x =by时取等号.不妨令m (x +2y )+(2x -y )=n (x +y ),整理得(m +2)x +(2m -1)y =nx +ny ，则m +2=n 2m -1=n,解得m =3n =5 ,则M =3x +2y +12x -y =93x +6y +12x -y =93x +6y +12x -y=323x +6y +122x -y ≥(3+1)25(x +y )=85，当且仅当33x +6y =12x -y 时等式成立，由33x +6y =12x -y x +y =2解得：x =32y =12，即当x =32,y =12时，M =3x +2y +12x -y 的最小值为85.故答案为：85.24(2024高三·全国·专题练习)已知x ,y >0,1x +22y=1，则x 2+y 2的最小值是．【答案】33【分析】利用权方和不等式求解最值即可.【详解】由题意得，1=1x +22y=132x 212+232y 212≥1+232x 2+y 212=33x 2+y2．(权方和的一般形式为：a m +11b m 1+a m +12b m 2+a m +13b m 3+⋯+a m +1nb m n ≥a 1+a 2+a 3+⋯+a n m +1b 1+b 2+b 3+⋯+b nm,a i >0,b i >0,当且仅当a i =λb i 时等号成立)当1x 2=2y 21x +22y=1，即x =3,y =32时，x 2+y 2取得最小值33．故答案为：3325(2023高三·全国·专题练习)已知正数x ,y 满足4x +9y =1，则42x 2+x +9y 2+y的最小值为【答案】118【分析】运用权方和不等式求和式的最小值，关键在于找到所求和式的两个分母与题设和式之间的联系，满足条件则迅速求解.【详解】要求最小值，先来证明权方和不等式，即：∀a >0,b >0,x >0,y >0,有a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y ,当且仅当ax =by时取等号.证明：利用柯西不等式：m ,n ,x ,y >0,(m 2+n 2)(x 2+y 2)≥(mx +ny )2，当且仅当m x =ny时取等号，要证a 2x +b 2y ≥(a +b )2x +y ,只须证(x +y )a 2x +b 2y≥(a +b )2，因a >0,b >0,x >0,y >0,则(x +y )a 2x +b 2y =[(x )2+(y )2]ax2+b y2≥x ⋅a x +y ⋅by2=(a +b )2,当且仅当xax=yby时，即a x =by时取等号.故由42x 2+x +9y 2+y =4242x 2+x +929y 2+y =42x 28+4x +92y 29+9y ≥4x +9y24x +9y+17=118当且仅当4x8+4x =9y9+9y 时取等号.由4x +9y =14x 8+4x =9y 9+9y,解得：x =172y =17 ，即当x =172,y =17时，42x 2+x +9y 2+y的最小值为118.故答案为：118.。
二维形式的柯西不等式
(a b)(c d ) ( ac bd )
当且仅当ad=bc时，等号成立
2
题型一：利用二维形式柯西不等式证明不等式
例1
4
已知a, b为实数，求证：
4 2 2 3 3 2
(a b )(a b ) (a b )
1 1 设a, b R , a b 1, 求证： 4 练习1： a b
定理1的推论：
1、若a,b,c,d都是实数，则
a b c d
2 2 2
2
| ac bd |,
当且仅当ad=bc时，等号成立 2、若a,b,c,d都是实数，则
a b c d | ac | | bd |,
2 2 2 2
当且仅当|ad|=|bc|时，等号成立
3、若a,b,c,d为非负实数，则
( x1 x3 ) ( y1 y3 ) ( x2 x3 ) ( y2 y3 )
2 2 2 2
( x1 x2 ) ( y1 y2 )
2
2
思考：你能解释上述不等式的几何意义吗？
题型三：利用二维形式柯西不等式解决实际问题
例4：在半径为R的圆内，作一个内接长方 形ABCD，求长方形的长和宽满足什么关 系时，长方形的周长最大，并求这个最大 值。
所以 | | | | | |
2 2
②
用平面（二维）向量的坐标表示上面不等式②，得
| ac bd | a b c d
2
2
整理得： (a
2
b )(c d ) (ac bd ) ,
2 2 2 2
由此可知，二维形式的柯西不等式是向量形式 的不等式②的坐标表示。
2024年高考数学高频考点(新高考通用)柯西不等式(精讲+精练)解析版
【一轮复习讲义】2024年高考数学高频考点题型归纳与方法总结（新高考通用）
素养拓展01柯西不等式（精讲+精练）
1.二维形式的柯西不等式
.),,,,,()())((22222等号成立时当且仅当bc ad R d c b a bd ac d c b a =∈+≥++2.二维形式的柯西不等式的变式
bd ac d c b a +≥+⋅+2222)1( .),,,,,(等号成立时当且仅当bc ad R d c b a =∈bd ac d c b a +≥+⋅+2222)2(
.),,,,,(等号成立时当且仅当bc ad R d c b a =∈.)
,0,,,(())()(3(2等号成立，时当且仅当bc ad d c b a bd ac d c b a =≥+≥++3.
二维形式的柯西不等式的向量形式
.),,,(等号成立时使或存在实数是零向量当且仅当βαβk k =≤注：有条件要用；没有条件，创造条件也要用。
比如，对2
2
2
c b a ++，并不是不等式的形状，但变成
()()
2222221113
1
c b a ++∙++∙就可以用柯西不等式了。
4.扩展：()()233221122322212
2322
21)(n n n n b a b a b a b a b b b b a a a a ++++≥++++++++ ，当且仅当n n b a b a b a :::2211=== 时，等号成立.
【题型训练1-刷真题】
二、题型精讲精练
一、知识点梳理。
柯西不等式、反柯西不等式与权方和不等式(解析版)
2.2.1柯西不等式、反柯西不等式与权方和不等式知识点一：柯西不等式、反柯西不等式1．柯西不等式的二维形式：()()22222()a b cd ac bd ++≥+，当且仅当ad ＝bc 时，等号成立．2．柯西不等式的一般情形：222222212121122()()()n n n n a a a b b b a b a b a b +++++++++ ，当且仅当a i ＝kb i (i ＝1,2，…，n )时，等号成立．3．柯西不等式的向量形式：αβαβ→→→→≥⋅，当且仅当β是零向量，或存在实数k ，使α＝kβ时，等号成立．4．柯西不等式的三角形式：()()222222a b c d a c b d +++≥-+-5.反柯西不等式()()()22222a b c d ac bd --≤-考点1：利用柯西不等式求函数最值及变量范围求整式【例1.1.】已知,,R x y z ∈，且225x y z -+=，则222(5)(1)(3)x y z ++-++的最小值是（）A ．20B ．25C ．36D ．47【答案】C【分析】结合已知条件，利用柯西不等式即可求得答案.【详解】由于225x y z -+=，故()()()()()222222513122x y z ⎡⎤⎡⎤++-+++-+⎢⎥⎣⎦⎣⎦()()()()225212(22133324)x y z x y z ⎡⎤≥++--++-⎣+=⎦=+，【例1.2.】已知,,R x y z ∈，且22x y +=，则222x y z ++的最小值是.【例1.3.】已知22232424x y z ++=，则75W x y z =++的最大值为．【例1.4.】已知实数,x y 满足方程()2221x y ++=，则2x y -的最大值为.求分式【例1.5.】已知a ，b ，c 均为正数，若1a b c ++=，则111a b c++的最小值为（）A ．9B ．8C ．3D ．13【例1.6.】已知x ,y ,z ∈(0,+∞),且1,x y z ++=则23x ++的最小值为（）A．5B．6C．8D．9【答案】C【解析】因为23a b +=，所以()()41211a b -+-=由柯西不等式()()()211114121219121121a b a b a b ⎛⎫+=+-+-≥+=⎡⎤ ⎪⎣⎦----⎝⎭当且仅当112221a b =--，即72,63a b ==时，等号成立，故选C.【例1.8.】已知,,x y z R +∈且1x y z ++=则2222y+32323x y z z z x x y++++的最小值是（）A ．1B ．15C ．25D ．35【例1.9.】为提高学生的数学核心素养和学习数学的兴趣，学校在高一年级开设了《数学探究与发现》选修课．在某次主题是“向量与不等式”的课上，学生甲运用平面向量的数量积知识证明了著名的柯西不等式（二维）；当向量()()1122,,,a x y b x y ==时，有222a b a b ⋅≤ ，即()()()2222212121122x x y y x y xy +≤++，当且仅当1221x y x y =时等号成立；学生乙从这个结论出发．作一个代数变换，得到了一个新不等式：()()()2222212121122x x y y x y x y -≥--，当且仅当1221x y x y =时等号成立，并取名为“类柯西不等式”．根据前面的结论可知：当x ∈R 时，2212211x x -的最小值是．求根式【例1.10.】函数y =的最大值是()A B C ．3D ．5【例1.11.】已知,x y 10,=2x y -的最大值为．【答案】200【解析】()()222222121x y x y ⎡⎤⎡⎤-=--=--⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦222200≤==≥==当且仅当1=，即400,100x y ==时取等号，故2x y -的最大值为200．【例1.12.】已知1()2f x =的最大值为m ，则m =．【例1.13.】已知M =M 的最大值为．【例1.14.】已知0x >，R y ∈，且2530x xy x y +-+=，的最大值为（）AB C ．D ．【答案】C，进而由柯西不等式 求三角函数式【例1.16.】设x R ∈，则3sin 2cos xx-的最大值为．【答案】【例1.17.】若()sin cos sin 2y x y x +++=，则sin x 的最小值是（）A ．0B ．2C ．3D ．12求变量范围（值）【例1.19.】已知实数a b c d ,,,满足222232445a b c d a b c d +++=+++=，，则a 的最大值为（）A ．1B ．2C ．3D ．4知识点二：权方和不等式1.二维形式的权方和不等式：若0,,,>y x b a ，则y x b a y b x a ++≥+222)(，当且仅当ybx a =时，等号成立.推广1：,)(2222zy x c b a z c y b x a ++++≥++当z c y b x a ==时，等号成立．推广2：若0,0>>i i b a ，则nn n n b b b a a a b a b a b a ++++++≥+++ 212212222121)(，当i i b a λ=时，等号成立.2.一般形式的权方和不等式：若0,0,0>>>m b a i i ，则()mn m n m m n m m m m b b b b a b a b a n +++≥+++++++ 2112111211)(21i i b a λ=时，等号成立.考点2：利用权方和不等式求最值【例2.1.】已知,,a b c R +∈，则a b c b c c a a b++的最小值为．【详解】()2222()()()2()a b c a b c a b c b c c a a b a b c b c a c a b ab bc ca ++++=++≥++++++++3()32()2ab bc ca ab bc ca ++≥=++当且仅当a b c ==时，等号成立所以答案为：3 2【例2.2.】已知正数,x y满足434xy+=，则11321yxy xy⎛⎫+⎪++⎝⎭的最小值为．【例2.3.】对任意11,2x y>>，()22224121(1)x ya y a x+≥--恒成立，则实数a的最大值为．【答案】8【详解】因为()22224121(1)x y a y a x +≥--恒成立，所以2224211x y a y x ≤+--，对任意11,2x y >>恒成立，所以222min4()211x y a y x ≤+--()()()22224211211x y x y y x y x ++≥---+-设22,(0)x y t t +-=>，则()()()()2222224448211211x y t x y t y x y x t t +++≥==++≥---+-当且仅当2222211x y x y y x +-=⎧⎪⎨=⎪--⎩，即21x y =⎧⎨=⎩时，两个等号同时成立故答案为8【例2.4.】若正数,,m n p 满足4m n p ++=，且()()()222222mn mn p n pn m p mp mnp λ+++++≥，则实数λ的取值范围为（）A ．(],6-∞B ．(],4-∞C ．(],12-∞D ．(],8-∞。
二维形式的柯西不等式
06
二维形式的柯西不等式的拓 展与推广
向高维空间的拓展
高维柯西不等式
对于任意两个n维向量a和b，有 (a1^2+a2^2+...+an^2)(b1^2+b2^2+... +bn^2) ≥ (a1b1+a2b2+...+anbn)^2，当 且仅当a和b线性相关时取等号。
几何意义
高维柯西不等式在几何上可以理解为两个高 维向量长度的乘积大于等于它们内积的平方。
与其他数学分支的联系与应用
01
线性代数中的应用
柯西不等式在线性代数中可用于证明矩阵的正定性、求解特征值问题等。
02 03
概率论与数理统计中的应用
在概率论与数理统计中，柯西不等式可用于证明某些概率不等式、求解 某些统计量的界等。例如，利用柯西不等式可以证明切比雪夫不等式、 马尔可夫不等式等。
分析学中的应用
柯西不等式二维形式的几何意义
柯西不等式的二维形式可以看作是平面中两个向量的模长之积与它们的内积的 平方之间的关系。当且仅当两个向量共线时，等号成立。
柯西不等式二维形式的性质
• 性质一：正定性。当$a_1, a_2$和$b_1, b_2$均不为零时，柯西不等式的左边 总是大于零，即$(a_1^2 + a_2^2)(b_1^2 + b_2^2) > 0$。
04
二维形式的柯西不等式在几 何中的应用
在三角形中的应用
面积估计
通过二维形式的柯西不等式，可以对 三角形的面积进行估计，得到面积的 上界和下界。
边长关系
式关系， 如两边之和大于第三边等。
在平行四边形中的应用
对角线性质
二维形式的柯西不等式可用于研究平行四边形的对角线性质，如对角线长度与边 长之间的关系。
二维形式的柯西不等式
根据两点间距离公式以及三角形 的边长关系:
x12 y12 x22 y22 (x1 x2)2 (y1 y2)2
定理３（二维形式的三角不等式）设x1,Fra biblioteky, 1
x
,
2
y R 2
，那么
x12 y12 x22 y22 (x1 x2 )2 ( y1 y2 )2
问题：
你能否利用柯西不等式，从代数的角度 证明这个不等式？
这在以后证明不等式时会用到
定理2: （柯西不等式的向量形式） 设 , 是两个向量,则
当且仅当 是零向量,或存在实数k , 使 k 时,等号成立.
一. 学习新课
（一）定理3 （二）例题 （三）练习
观察
y
0
P1(x1,y1)
y P1(x1,y1)
P2(x2,y2)
0
x
x P2(x2,y2)
一、二维形式的柯西不等式 （第二课时）
一. 课前复习
（一）定理1（二维形式的柯西不等式）:
若a,b,c,d都是实数,则 (a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2
当且仅当ad=bc时,等号成立.
二维形式的柯西不等式经过变形后 可得到两个比较重要的不等式：
a2 b2 c2 d 2 ac bd a2 b2 c2 d 2 ac | | bd
例3.设a,b∈R+,a+b=1,求证
11 4 ab
注意应用公式： (a b)( 1 1 ) 4
ab
练习巩固：
练习一：
设a，b为正数，求
(a 1)(2b 1 )
b
2a
的最小值
练习二： P37 第6题
小结：
二维形式的柯西不等式
而f (t ) = (at − c) + (bt − d )
2 2 2 2 2 2 2 2
2 2
= (a t − 2act + c ) + (b t − 2bdt + d ) = (a + b )t − 2(ac + bd )t + (c + d )
2 2
因为t取任何实数都有 因为 取任何实数都有f(t)≥0，故有 中的 取任何实数都有 ，故有f(t)中的 判别式必是非正数。 判别式必是非正数。即
的最大值. 变式 3.已知 4 x 2 + 9 y 2 = 36 ,求 x + 6 y 的最大值.
作业： 作业： 上交作业： 上交作业：书P36 ，T1，T3，T4，T5 ， ， ， 作业本： 作业本：P57 T1—T8
2 2 2 2
上面两个不等式等号何时取到
二、二维柯西不等式应用
例1 已知a , b为实数 , 证明(a + b )(a + b ) ≥ (a + b )
4 4 2 2 3
3 2
变式1: a, b ∈ R + ,证明 (a + b)(a 2 + b 2 ) ≥ a a + b b 变式2: a, b ∈ R ,证明 (a + b)(a + b ) ≥ b a + a b
4(ac + bd ) − 4(a + b ) ⋅ (c + d ) ≤ 0
2 2 2 2 2
即(a + b ) ⋅ (c + d ) ≥ (ac + bd )
2 2 2 2
2
证法三:构造向量法 证法三 构造向量法
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- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
过程与方法：通过类 比的方法，探索柯西 不等式的形式，并通 过数形结合方法探索 柯西不等式的向量形 式并证明，通过数形 结合方法探索三角不 等式并证明，通过观 察分析柯西不等式的 形式简单应用柯西不 等式解决证明问题和 最值问题
情感态度与价值观 ：通过创设情境， 提出问题，然后探 索解决的办法，培 养学生独立思考、 合作探究、积极探 索的习惯和逻辑推 理能力，渗透数学 史的教育，使学生 体会数学的史学价 值和美学价值
五、教学过程
新
探究1:类比 a2 b2 的2推a导b 过
课 探
程，请你猜想关于 (a2b2)(c2的 不d 等2式)
究
，
形
成
结
论
设计意图：
这是一个开放式问题 ，关(a2+b2)(c2+d2) 的不等式有很多，但 是如果我们限定问题 是类比 的推导过程 ，那么学生就容易找 到正确的方向。
五、教学过程
创设情境，引入课题
教
新课探究，形化认识
回顾过程，反思小结
五、教学过程
创 设 情 境 ， 引 入 课 题
设计意图：
给学生指明探究 的方向------要对 (a2+b2)(c2+d2) 进行配方，激发 了学习的热情， 也为后续要用几 何法证明柯西不 等式和应用柯西 不等式做了铺垫
好动脑筋，求知 欲强，善于并且 乐于表达自己观 点。
该班学生的缺 点是懒惰，对 前面所学知识 遗忘比较多， 头脑中所建立 的知识之间的 联系比较弱， 因此数学综合 能力不强。
三、目标定位
知识与技能： 理解柯西不等 式的二维形式 和变式以及向 量形式，会简 单应用柯西不 等式解决问题 ，理解三角不 等式和变式
新 问题1：还有其他方法
课
证明柯西不等式吗？
探
究
，
形
成
结
论
设计意图：
这是一个开放式问题 ，我们刚刚学习了不 等式的证明，有利于 学生打开思路，开阔 思维，多角度探索不 同方法，同时也是对 不等式证明方法的复 习，也是与引入中的
不a2同证b2明 方2a法b 形成类 比和对照。
五、教学过程
新
问题2：可以用几何法 证明柯西不等式吗？
人教A版选修4-5
二维形式的柯西不等式
目录
一、教材分析 二、学情分析 三、目标定位
四、教法学法 五、教学过程
六、板书设计 七、教学反思
二、学情分析
学习了不等式 的性质与证明 ，向量基础知 识，掌握了不 等式变形方法 以及数形结合 基本方法。具 备一定的观察 、分析、逻辑 推理能力。
该班学生的优点 是性格活泼，
五、教学过程
新 探究1:类比 a2 b2 的 推2a导b过
课 程，请你猜想关于
探
(a2b2)(c的2不等d式2)
究
，
问题1：还有其他方法 证明柯西不等式吗？
形
成
问题2：可以用几何法
结
证明柯西不等式吗？
论
问题3：向量法证明中等
号成立的条件是什么？
类比配方
作差法、分析法 向量法
, 平行
深
系中得到三角不等
化
式，得到四个实数
认
的另一种大小关系 。
识
五、教学过程
问题4：你能证明三角不等式吗？
例 解 应 用 ， 深 化 认 识
设计意图：
由图形得出三角不等式， 再由代数法进行证明，充 分体现数形结合思想。而 三角不等式也是一个经典 不等式，跟柯西不等式一 样，体现四个实数的不等 关系，它的证明需要用到 不等式的基本变形技巧和 柯西不等式的变式，是柯 西不等式变式应用的重要 体现。证明难度大，采取 学生独立思考，教师个别 辅导的方式，再共同研究 ，给了学生充分的思维空 间和时间。
五、教学过程
例 例1. 已知a、b为实数，证明
解 应
(a4+b4)(a2+b2) ≥(a3+b3)2.
用
设计意图：
，
应用柯西不等式证明问题，类比了a2 b2 2ab
深 化
的应用，进一步认识柯西不等式形式上的特点 ，体会柯西不等式在证明问题中的作用，学会
认
用柯西不等式证明问题。对于这个例题，采取
认
会用柯西不等式解最值问题。对于这个例题，
识
采取学生自主探究解决的方法，然后展示有代
表性的结果，师生共同分析总结。
五、教学过程
例
探实究数2蕴：涵根着据何种OP大1P2小的关边系长吗关？系，你能发现 x1, y1, x2 , y2这4个
解
设计意图：
应
从形出发，得到结
用
论，体现数形结合
，
的方法，从几何关
三、目标定位
教学重点：柯西不等式的证明和应用
教学难点：柯西不等式的发现、几何法证 明柯西不等式、三角不等式的证明
四、教法学法分析
教法：采取武汉市第四十九中学“主体探 究课堂教学模式”设置“问题串”引导学 生展开探究
学法：以学生为中心，采取独立思考和小 组合作讨论的方式进行探究式学习
五、教学过程
五、教学过程
新
师生共同探究柯西不等式的两种 变式
课
探
究
，
形
成
结
论
设计意图：
在实际应用中，柯 西不等式的变式用 得比较多，所以很 有必要让学生知道 ，又由于时间有限 ，所以采取师生共 同探究的方法，显 得主次分明。
五、教学过程
新 介绍柯西其人 课 探 究 ， 形 成 结 论
设计意图：
柯西是近代史上非 常著名的数学家， 在教学过程中介绍 柯西的成就，渗透 数学史的教育，符 合新课程要求。同 时，提出要求，让 同学们下课查阅柯 西的相关资料，激 发学习数学的兴趣 。
课
探
究
，
形
成
结
论
设计意图：
这是本节课的重中之重
，不仅与 a2 b2 2ab
存在几何证明方法进行 了类比，而且引导学生 从代数与几何两个角度 对柯西不等式进行了证 明，体现了数形结合的 方法，同时得到了向量 形式，而向量形式在推 导n维形式上起了很重要 的作用。
五、教学过程
新 展示学生的向量法证明 课 探 究 ， 形 成 结 论
设计意图：
展示学生的结果， 共同讨论，取长补 短，查漏补缺。
五、教学过程
新
问题3：向量法证明中等号成立的 条件是什么？
课
探
究
，
形
成
结
论
设计意图：
等号成立的条件是 柯西不等式很重要 的一部分，在向量 背景下考虑等号成 立的条件，既为应 用向量形式的柯西 不等式提供了依据 ，也对代数形式和 向量形式进行了全 方位的对比，体现 数学的严密性。
识
学生自主探究解决的方法，然后展示有代表性
的结果，师生共同分析总结。
五、教学过程
例 例2. 求函 y数 3 x54 6x的最.大值 解
应
用
设计意图：
，
应用柯西不等式求最值问题，类比了a2 b2 2ab
深
的应用，进一步认识柯西不等式形式上的特点
化
，体会柯西不等式在求最值问题中的作用，学