高中数学知识图谱必修一 · 第 2 章技能

配齐次式

借助像 x + y = 1 这样的条件,给某些项乘上「等于 1 的式子」,让各项次数一样,从而出现积为定值的比值项。

出现在2.2 基本不等式拓展

依据的知识 1

用到它的方法 1

什么时候用

看到什么想到它
要求最值,看到条件是「一次式等于常数」,而所求式子各项的次数和它对不上,例如 x,y>0x,y>0,x+5y=1x+5y=1,求 5x+4y\frac5x+\frac4y 的最小值。
做完得到什么
各项次数相同的新式子,例如 25+25yx+4xy25+\frac{25y}{x}+\frac{4x}{y},两个比值项的积是定值,可以接着用基本不等式。这个新式子只在原条件成立时才等于原式。
要注意
只能乘「已知等于 11」的式子(乘了等于 kk 的式子要再除以 kk);各项次数不同时,只给缺次数的项乘,不要整体乘。

操作步骤

  1. 数一数每项的次数 #

    每项的次数是各字母指数之和,分母里的字母算负次数:x2x^2、xyxy 都是 22 次,5x\frac5x 是 −1-1 次,yx\frac{y}{x} 是 00 次。

    5x+4y\frac5x+\frac4y 两项都是 −1-1 次,条件里的 x+5yx+5y 是 11 次,乘一次就都变成 00 次。

    数次数:x、y 同时放大,零次式的值不变

    分母里的字母算负次数。取 x=2kx=2k、y=ky=k,拖动 kk:一次式跟着变大,负一次式跟着变小,零次式 25yx+4xy\frac{25y}x+\frac{4x}y 始终不变,它只和比值 yx\frac yx 有关。

    • 5x−15x^{-1}−1-1 次
    • ab=ab−1\frac ab=ab^{-1}00 次
    • 4xy4xy22 次
    • 1x=x−12\frac1{\sqrt x}=x^{-\frac12}−12-\frac12 次
    负一次 × 一次:每个乘积都是零次
    ×xx1 次5y5y1 次
    5x\frac5x−1 次550 次25yx\frac{25y}x0 次
    4y\frac4y−1 次4xy\frac{4x}y0 次20200 次

    取 x=2kx=2k、y=ky=k(比值 yx\frac yx 始终是 12\frac12),拖动 kk,看三个式子怎样变:

    x+5yx+5y 一次
    5x+4y\frac5x+\frac4y 负一次
    25yx+4xy\frac{25y}x+\frac{4x}y 零次

    x、y 同时放大 k 倍:一次式变成 k 倍,负一次式变成 1k,零次式不变。

    图解交互正在加载;正文与题例可直接阅读。

  2. 乘上等于 1 的条件式 #

    因为 x+5y=1x+5y=1,乘上它式子的值不变:(5x+4y)(x+5y)=5+25yx+4xy+20=25+25yx+4xy\left(\frac5x+\frac4y\right)(x+5y)=5+\frac{25y}{x}+\frac{4x}{y}+20=25+\frac{25y}{x}+\frac{4x}{y}。

    也可以只给某一项补次数:x+y=1x+y=1 时 y=y(x+y)y=y(x+y),于是 x2+y=x2+xy+y2x^2+y=x^2+xy+y^2,每项都是 22 次。

    配次数:乘入值为 1 的条件式

    例:x,y>0x,y>0,x+5y=1x+5y=1,求 5x+4y\frac5x+\frac4y 的最小值。目标 −1-1 次,乘入 11 次的条件式后只剩比值。

    目标m 次×条件式 = 1n 次0 次式m + n = 0

    例(5x+4y)(x+5y)=25+25yx+4xy

    只剩比值: · = 100 为定值

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  3. 说清乘的为什么等于 1 #

    每乘一次,都要写明乘的式子为什么等于 11。新式子只在 x+5y=1x+5y=1 时等于原式,所以后面求出取等时的 x,yx,y,要代回这个条件检查。

易错

各项次数不同时整体乘入 #

错误做法

x,y>0x,y>0,x+y=1x+y=1,求 1x+xy\frac1x+\frac xy 的最小值时,整体乘 (x+y)(x+y):(1x+xy)(x+y)=1+yx+x2y+x\left(\frac1x+\frac xy\right)(x+y)=1+\frac yx+\frac{x^2}y+x。

xy\frac xy 本来已经是 00 次,被乘成了一次,次数又不齐,得不到定积。

正确做法

逐项数次数,只给缺次数的项乘:1x\frac1x 是 −1-1 次,乘 (x+y)(x+y) 得 1+yx1+\frac yx;xy\frac xy 不乘。

原式 =1+yx+xy≥1+2=3=1+\frac yx+\frac xy\ge1+2=3,x=y=12x=y=\frac12 时取等。

说明与题例

1. 局部配齐

x+y=1x+y=1,将 x2+yx^2+y 配成二次齐次式。

  1. x2+y=x2+y(x+y)=x2+xy+y2x^2+y=x^2+y(x+y)=x^2+xy+y^2;每项总次数为 22。

本页说明例

2. 整体乘入

x,y>0x,y>0,x+5y=1x+5y=1,求 5x+4y\frac5x+\frac4y 的最小值。

  1. 目标是 −1-1 次,条件式 x+5y=1x+5y=1 是 11 次,整体乘入后为 00 次:(5x+4y)(x+5y)=25+25yx+4xy\left(\frac5x+\frac4y\right)(x+5y)=25+\frac{25y}x+\frac{4x}y。
  2. 两个比值项的积 25yx⋅4xy=100\frac{25y}x\cdot\frac{4x}y=100 为定值,所以原式 ≥25+2100=45\ge25+2\sqrt{100}=45。
  3. 取等要 25yx=4xy\frac{25y}x=\frac{4x}y,即 2x=5y2x=5y,与 x+5y=1x+5y=1 联立得 x=13x=\frac13,y=215y=\frac2{15},取得到。

本页说明例

内容出处:人教 A 版必修第一册第二章