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3. 柯西不等式

不等式与线性规划 · 高三
讲清楚它是什么

定义 柯西不等式指出:两组实数平方和的乘积,不小于对应项乘积之和的平方。

从哪来 本节为起点,无前置知识点记录。

为什么 从几何向量角度理解:设向量 $\mathbf{a}=(a_1, \dots, a_n)$,$\mathbf{b}=(b_1, \dots, b_n)$。 根据向量数量积定义,$\mathbf{a} \cdot \mathbf{b} = |\mathbf{a}||\mathbf{b}|\cos\theta$。 因为 $|\cos\theta| \le 1$,所以 $|\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}| \le |\mathbf{a}||\mathbf{b}|$。 两边平方即得 $(\sum a_i b_i)^2 \le (\sum a_i^2)(\sum b_i^2)$。 本质是“投影长度不超过原向量长度”的代数表达。

几何直观法
画出两个向量,强调夹角余弦值的范围。适合视觉型、空间想象力强的学生。通过图形直观感受“点积最大时两向量同向”,从而理解等号成立条件。
代数构造法
构造二次函数 $f(t) = \sum (a_i t - b_i)^2 \ge 0$。展开后判别式 $\Delta \le 0$ 直接推导出不等式。适合逻辑严密、擅长代数运算的学生。此法严谨且无需几何背景,适合纯代数思维者。
类比记忆法
将其类比为“勾股定理的推广”或“均值不等式的强化版”。通过对比 $(a+b)^2 \le 2(a^2+b^2)$(即 $n=2$ 的特例)引入。适合基础薄弱、需要降低认知门槛的学生。从熟悉的一维、二维情况过渡到高维,减轻恐惧感。
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练一道
基础题
已知 $x, y \in \mathbb{R}$,求 $\sqrt{x^2+y^2} \cdot \sqrt{1+1}$ 的最小值,使得 $x+y=1$。
变式
已知 $a, b, c > 0$ 且 $a+b+c=1$,求 $\frac{1}{a} + \frac{1}{b} + \frac{1}{c}$ 的最小值。
试试手自己判
检测题
已知 $x, y, z$ 为正实数,且 $x+y+z=3$,求 $xy+yz+zx$ 的最大值。
看答案和判分标准
答案:3
判对标准:
1. 正确应用柯西不等式或基本不等式变形(如 $(x+y+z)^2 \ge 3(xy+yz+zx)$)。
2. 得出 $9 \ge 3(xy+yz+zx)$,即 $xy+yz+zx \le 3$。
3. 明确指出当且仅当 $x=y=z=1$ 时取等号。
4. 若未写等号成立条件,判为半对;若结论错误,判为错。
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