高中数学不等式章节复习讲解

不等式 · 性质与解法 · 基本不等式
高中数学 · 不等式专题讲义
适用:高一同步打底 / 高考一轮复习(云南 · 新高考)
配套:讲解视频 + 网页课件 + 本讲义

一、不等式是什么?——从等式的"亲戚"说起

1.1 从等式到不等式

小学和初中,我们花了大量时间研究等式和方程,它们的核心是"等于"。但真实世界里,数量之间并不总是"恰好相等",更多时候是"谁比谁多、谁比谁少"——这就是不等式。

语言描述数学表达
$a$ 大于 $b$$a > b$
$a$ 大于或等于 $b$$a \geq b$
$a$ 小于 $b$$a < b$
$a$ 小于或等于 $b$$a \leq b$
$a$ 不等于 $b$$a \neq b$

关键理解:方程求的是"某一个确定的值",而不等式求的往往是"一整个范围"。例如:

1.2 不等式在整个高中数学中的位置

不等式不是孤立的章节,它是贯穿三年的一条"暗线":定义域、值域、最值、恒成立、参数范围……几乎处处都要用到。先看一张全景地图:

mindmap
  root((不等式))
    不等式性质
      传递性 / 可加性
      可乘性(注意符号)
      同向相加 / 相乘
    三个二次
      二次函数
      一元二次方程
      一元二次不等式
    基本不等式
      a²+b² ≥ 2ab
      均值不等式
      求最值
    拓展专题
      绝对值不等式
      分式不等式
      高次不等式(穿针引线)
      柯西不等式

二、不等式的性质——一切推理的地基

2.1 八大核心性质

设 $a, b, c, d$ 为实数:

$$1.\ \text{对称性:} a > b \Longleftrightarrow b < a$$

$$2.\ \text{传递性:} a > b,\ b > c \Rightarrow a > c$$

$$3.\ \text{可加性:} a > b \Rightarrow a + c > b + c$$

$$4.\ \text{可乘性:} a > b,\ c > 0 \Rightarrow ac > bc;\quad a > b,\ c < 0 \Rightarrow ac < bc$$

$$5.\ \text{同向相加:} a > b,\ c > d \Rightarrow a + c > b + d$$

$$6.\ \text{同向相乘:} a > b > 0,\ c > d > 0 \Rightarrow ac > bd$$

$$7.\ \text{乘方:} a > b > 0,\ n \in \mathbb{N}^* \Rightarrow a^n > b^n$$

$$8.\ \text{开方:} a > b > 0,\ n \in \mathbb{N}^* \Rightarrow \sqrt[n]{a} > \sqrt[n]{b}$$

2.2 ⚠️ 三大易错点(务必背下)

  1. 乘(除)负数必须变号:$a > b \Rightarrow ac < bc\ (c < 0)$。这也是解不等式时最容易翻车的地方。
  2. 同向相乘要求"都是正数":$a > b,\ c > d$ 但 $a,b,c,d$ 有负数时,不能直接相乘。
  3. 倒数不等式要变号:若 $a > b > 0$,则 $\dfrac{1}{a} < \dfrac{1}{b}$。分母越大,倒数越小。

2.3 比较大小的"万能钥匙":作差比较法

判断 $A$ 与 $B$ 的大小,核心思路是看 $A - B$ 的符号:

$$\begin{cases}A - B > 0 \Rightarrow A > B \\A - B = 0 \Rightarrow A = B \\A - B < 0 \Rightarrow A < B\end{cases}$$

例题1:比较 $(a + 3)(a - 5)$ 与 $(a + 2)(a - 4)$ 的大小。

解:作差

$$(a+3)(a-5) - (a+2)(a-4) = (a^2 - 2a - 15) - (a^2 - 2a - 8) = -7 < 0$$

所以 $(a+3)(a-5) < (a+2)(a-4)$。

小结:任何不等式证明,理论上都可以化为"作差——判断符号",这是最本质的方法。


三、一元二次不等式——"三个二次"的合体

这是高一上学期第一个真正的重点,也是高考的常考点。它的秘诀只有一句话:把不等式"翻译"成函数图像来看。

3.1 三个二次的关系

所谓"三个二次",指二次函数、一元二次方程、一元二次不等式,它们本质上是同一件事的三个侧面:

不等式图0-三个二次关系.svg

3.2 图像法解一元二次不等式

以 $a > 0$(开口向上)为例,设方程 $ax^2 + bx + c = 0$ 的判别式 $\Delta = b^2 - 4ac$:

判别式图像位置$ax^2+bx+c>0$ 的解$ax^2+bx+c<0$ 的解
$\Delta > 0$,两根 $x_1 < x_2$与 $x$ 轴交于两点$x < x_1$ 或 $x > x_2$$x_1 < x < x_2$
$\Delta = 0$,一根 $x_0$与 $x$ 轴相切$x \neq x_0$无解($\emptyset$)
$\Delta < 0$,无实根完全在 $x$ 轴上方全体实数 $\mathbb{R}$无解($\emptyset$)

一句话口诀(前提 $a>0$):

"大于取两边,小于取中间。"

这里的"两边/中间"都是相对方程的两个根而言。

数形结合:下面三幅图把上面的判别式表"翻译"成抛物线,一眼看清"大于取两边、小于取中间"(前提 $a>0$,开口向上)。

不等式图1-一元二次图像法-v2.svg

解题标准流程:

不等式图5-解题标准流程.svg

例题2:解不等式 $x^2 - 3x - 4 > 0$。

解:

$$x^2 - 3x - 4 = (x - 4)(x + 1)$$

两根为 $x_1 = -1,\ x_2 = 4$,$a = 1 > 0$,开口向上,大于取两边:

$$x < -1 \ \text{或}\ x > 4$$

解集为 $(-\infty, -1) \cup (4, +\infty)$。

例题3:解不等式 $-2x^2 + 3x + 2 \leq 0$。

解:先把 $a$ 化正——两边同乘 $-1$ (注意变号!):

$$2x^2 - 3x - 2 \geq 0$$

因式分解:$(2x + 1)(x - 2) \geq 0$,两根为 $x_1 = -\dfrac12,\ x_2 = 2$,取两边:

$$x \leq -\frac12 \ \text{或}\ x \geq 2$$

解集为 $\left(-\infty, -\dfrac12\right] \cup [2, +\infty)$。

3.3 恒成立问题(求参数范围)

这类题是"三个二次"的高级玩法,方法固定:

例题4:若不等式 $x^2 - 2x + k > 0$ 对任意 $x \in \mathbb{R}$ 恒成立,求 $k$ 的取值范围。

解:$a = 1 > 0$,只需 $\Delta < 0$:

$$\Delta = (-2)^2 - 4 \cdot 1 \cdot k = 4 - 4k < 0 \Rightarrow k > 1$$

所以 $k \in (1, +\infty)$。

易错提醒:当二次项系数含参数(如 $mx^2+2x+1>0$)时,要分类讨论 $m = 0$(退化为一次)与 $m \neq 0$ 两种情况,不能漏。


四、基本不等式——求最值的第一神器

4.1 从平方非负出发

因为任何实数的平方都 $\geq 0$:

$$(a - b)^2 \geq 0 \Rightarrow a^2 - 2ab + b^2 \geq 0 \Rightarrow \boxed{a^2 + b^2 \geq 2ab}\ (a, b \in \mathbb{R})$$

当且仅当 $a = b$ 时等号成立。这是一切的起点。

4.2 均值不等式(基本不等式)

若 $a, b > 0$,在上式中把 $a, b$ 换成 $\sqrt{a}, \sqrt{b}$,就得到:

$$\boxed{\frac{a + b}{2} \geq \sqrt{ab}}\quad (a, b > 0)$$

读作:两个正数的算术平均数不小于它们的几何平均数。 当且仅当 $a = b$ 时等号成立。

常用等价变形(务必熟练):

$$a + b \geq 2\sqrt{ab},\qquad ab \leq \left(\frac{a+b}{2}\right)^2,\qquad ab \leq \frac{a^2+b^2}{2}$$

4.3 几何意义(数形结合记忆)

在一条线段 $AB = a + b$ 上取分点 $C$,使 $AC = a,\ CB = b$;再以 $AB$ 为直径作半圆,圆心记为 $O$(即 $AB$ 的中点),过 $C$ 作 $AB$ 的垂线,交半圆于 $D$:

不等式图2-基本不等式几何意义-v6.svg

为什么 $CD$ 正好等于 $\sqrt{ab}$? 由圆周角定理,直径所对的圆周角 $\angle ADB = 90°$,所以 $\triangle ADB$ 是直角三角形,$CD$ 正是它斜边 $AB$ 上的高。由射影定理:

$$CD^2 = AC \cdot CB = a \cdot b \quad\Longrightarrow\quad CD = \sqrt{ab}$$

再看直角三角形 $OCD$:$OD$ 是半径(斜边),$CD$ 是一条直角边。斜边不小于直角边,于是:

$$OD \geq CD \quad\Longrightarrow\quad \frac{a+b}{2} \geq \sqrt{ab}$$

"一样长"(等号成立)当且仅当 $C$ 与 $O$ 重合,也就是 $a = b$ 时发生。

4.4 应用三字诀:"一正、二定、三相等"

用基本不等式求最值,必须同时满足三个条件,缺一不可:

  1. 一正:参与的两个数必须都是正数(涉负数要先提取负号处理);
  2. 二定:要么"和为定值求积的最大值",要么"积为定值求和的最小值";
  3. 三相等:等号能否取到(即让两数相等),否则最值不能取到。

例题5(积定和最小):已知 $x > 0$,求 $x + \dfrac{1}{x}$ 的最小值。

解:

$$x + \frac{1}{x} \geq 2\sqrt{x \cdot \frac{1}{x}} = 2$$

当且仅当 $x = \dfrac1x$,即 $x = 1$ 时等号成立,最小值为 $2$。

例题6(和定积最大):已知 $0 < x < 1$,求 $x(1-x)$ 的最大值。

解:$x > 0,\ 1 - x > 0$,且 $x + (1-x) = 1$ 为定值:

$$x(1-x) \leq \left(\frac{x + (1-x)}{2}\right)^2 = \left(\frac12\right)^2 = \frac14$$

当且仅当 $x = 1 - x$,即 $x = \dfrac12$ 时等号成立,最大值为 $\dfrac14$。

4.5 技巧一:"1"的代换

当条件是"和等于定值"(如 $x + y = 1$)、目标是"分式之和"时,把目标式乘上一个"1",巧妙搭桥。

例题7:已知 $x, y > 0$,$x + y = 1$,求 $\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}$ 的最小值。

解:

$$\frac1x + \frac4y = \left(\frac1x + \frac4y\right)(x + y) = 1 + \frac{y}{x} + \frac{4x}{y} + 4 = 5 + \frac{y}{x} + \frac{4x}{y}$$

由基本不等式:

$$\frac{y}{x} + \frac{4x}{y} \geq 2\sqrt{\frac{y}{x}\cdot\frac{4x}{y}} = 4$$

所以原式 $\geq 5 + 4 = 9$。当且仅当 $\dfrac{y}{x} = \dfrac{4x}{y}$(即 $y = 2x$)且 $x + y = 1$,解得 $x = \dfrac13,\ y = \dfrac23$ 时取到最小值 $9$。

4.6 技巧二:配凑固定结构

目标式不是现成的"和为定/积为定"时,先配凑。

例题8:已知 $x > 1$,求 $y = x + \dfrac{1}{x - 1}$ 的最小值。

解:凑出"积为定值"的结构:

$$y = (x - 1) + \frac{1}{x - 1} + 1 \geq 2\sqrt{(x-1)\cdot\frac{1}{x-1}} + 1 = 3$$

当且仅当 $x - 1 = \dfrac{1}{x-1}$,即 $x = 2$ 时等号成立,最小值为 $3$。


五、拓展不等式专题

5.1 绝对值不等式

绝对值表示"到原点的距离",所以:

$$

x< a \Longleftrightarrow -a < x < a\quad(a>0);\qquadx> a \Longleftrightarrow x < -a\ \text{或}\ x > a

$$

数形结合:$|x|$ 就是数轴上点 $x$ 到原点的距离——

不等式图3-绝对值距离-v2.svg

三角不等式(重要性质):

$$

a-b\leqa \pm b\leqa+b

$$

例题9:解不等式 $|2x - 1| \leq 3$。

解:

$$-3 \leq 2x - 1 \leq 3 \Rightarrow -2 \leq 2x \leq 4 \Rightarrow -1 \leq x \leq 2$$

解集为 $[-1, 2]$。

例题10:解不等式 $|x - 1| + |x + 3| \geq 4$。

解:用"零点分段法"。两个零点为 $x = -3$ 和 $x = 1$:

综上,解集为 $\mathbb{R}$。

5.2 分式不等式

核心思想:化分式为整式。注意分母不能为 0。

$$\frac{x-a}{x-b} > 0 \Longleftrightarrow (x-a)(x-b) > 0\ \text{且}\ x \neq b$$

例题11:解不等式 $\dfrac{x-2}{x+1} \leq 0$。

解:等价于

$$\begin{cases}(x-2)(x+1) \leq 0 \\x + 1 \neq 0\end{cases}\Rightarrow -1 < x \leq 2$$

解集为 $(-1, 2]$。

5.3 高次不等式(穿针引线法)

对 $(x-x_1)(x-x_2)\cdots(x-x_n) > 0$ 这类高次不等式,用数轴标根、奇穿偶回:

  1. 把每个因式的根按从小到大标在数轴上;
  2. 从最右上方开始,自右向左"穿针";
  3. 遇奇次因式的根(如 $x-a$)"穿过去",遇偶次因式的根(如 $(x-a)^2$)"折回";
  4. 数轴上方区间对应 $>0$,下方对应 $<0$。

数形结合:以 $(x-1)(x+2)(x-3)>0$ 为例,把"奇穿偶回"画成图——

不等式图4-穿针引线-v2.svg

例题12:解不等式 $(x-1)(x+2)(x-3) > 0$。

解:三个根 $-2,\ 1,\ 3$,自右上向左依次穿过,$>0$ 取数轴上方:

$$x \in (-2, 1) \cup (3, +\infty)$$

5.4 柯西不等式(高维利器)

二维形式:

$$(a^2 + b^2)(c^2 + d^2) \geq (ac + bd)^2$$

当且仅当 $\dfrac{a}{c} = \dfrac{b}{d}$ 时等号成立。它在"知条件求分式最值"时威力巨大。

衔接提示:本专题另有专门的《柯西不等式求最值——通用解题方法》笔记,里面整理了直接配凑法、权方和、待定系数法等四大套路,学完本章后可配套阅读。


六、数学思想深度解析

6.1 数形结合思想

不等式是"数形结合"最经典的舞台:一元二次不等式翻译成抛物线,均值不等式翻译成半圆,绝对值不等式翻译成数轴距离。看到代数式,先在脑中画出它的"几何画像"。

6.2 转化与化归思想

高中数学的解题主线就是"转化":

解题的本质,是把没见过的题,变成见过的题。

6.3 分类讨论思想

当参数不确定(如二次项系数、判别式符号、绝对值区间)时,必须分类讨论。核心纪律是:"不重不漏",每一类的结论最后要合并。

6.4 函数与方程思想

一元二次不等式为什么能用图像解?因为它本质上是研究"二次函数值与 0 的大小关系"。不等式的问题,常常可以挂靠到函数图像上解决。


七、典型例题详解

例题13:含参一元二次不等式

题目:解关于 $x$ 的不等式 $x^2 - (a+1)x + a \leq 0$。

解:因式分解:

$$x^2 - (a+1)x + a = (x-1)(x-a) \leq 0$$

要"取中间",需确定两根 $1$ 与 $a$ 的大小:

例题14:基本不等式求最值(综合)

题目:已知 $x > 0,\ y > 0$,且 $2x + y = 2$,求 $\dfrac{1}{x} + \dfrac{1}{y}$ 的最小值。

解:

$$\frac1x + \frac1y = \left(\frac1x + \frac1y\right)\cdot\frac{2x+y}{2} = \frac12\left(3 + \frac{y}{x} + \frac{2x}{y}\right)$$

由基本不等式 $\dfrac{y}{x} + \dfrac{2x}{y} \geq 2\sqrt{2}$:

$$\frac1x + \frac1y \geq \frac12(3 + 2\sqrt2)$$

当且仅当 $\dfrac{y}{x} = \dfrac{2x}{y}$ 即 $y = \sqrt2 x$,结合 $2x + y = 2$ 时取等号。最小值为 $\dfrac{3 + 2\sqrt2}{2}$。

例题15:恒成立求参数

题目:若 $x \in [0, 1]$ 时,$x^2 + ax + 1 \geq 0$ 恒成立,求 $a$ 的取值范围。

解:分离参数($x \neq 0$ 时):

$$a \geq -\left(x + \frac1x\right)$$

由基本不等式,$x + \dfrac1x \geq 2$(当 $x=1$ 取等),所以 $-(x+\dfrac1x) \leq -2$。要 $a \geq -(x+\dfrac1x)$ 对一切 $x \in (0,1]$ 恒成立,只需 $a \geq \left[-(x+\dfrac1x)\right]_{\max} = -2$;再检查 $x=0$ 时原式 $1 \geq 0$ 恒成立。故 $a \geq -2$。


八、练习题

基础题

  1. 解不等式 $x^2 - 5x + 6 < 0$
  2. 解不等式 $|x - 2| < 3$
  3. 已知 $x > 0$,求 $x + \dfrac{9}{x}$ 的最小值
  4. 解不等式 $\dfrac{x+1}{x-2} > 0$
  5. 判断:若 $a > b$,则 $a^2 > b^2$ 是否一定成立?为什么?

提高题

  1. 解不等式 $-x^2 + 4x - 3 \geq 0$
  2. 解不等式 $(x-1)(x+2)(x-3)^2 \leq 0$
  3. 已知 $x > 0,\ y > 0$,$x + y = 1$,求 $xy$ 的最大值
  4. 若 $x^2 - 2x + k - 3 \geq 0$ 对任意 $x \in \mathbb{R}$ 恒成立,求 $k$ 的取值范围
  5. 解关于 $x$ 的不等式 $x^2 - ax - 2a^2 < 0$($a \in \mathbb{R}$)

拓展题

  1. 已知 $x > 1$,求 $y = 2x + \dfrac{2}{x-1}$ 的最小值
  2. 用基本不等式证明:若 $a, b > 0$,则 $\dfrac{a}{b} + \dfrac{b}{a} \geq 2$
  3. 若 $x \in [0, 2]$ 时,$x^2 - 2x + m \geq 0$ 恒成立,求 $m$ 的取值范围

九、练习题答案

基础题

  1. $(x-2)(x-3) < 0 \Rightarrow 2 < x < 3$,解集 $(2, 3)$
  2. $-3 < x - 2 < 3 \Rightarrow -1 < x < 5$,解集 $(-1, 5)$
  3. $x + \dfrac9x \geq 2\sqrt{x\cdot\dfrac9x} = 6$,当 $x = 3$ 时取等,最小值为 $6$
  4. 等价于 $(x+1)(x-2) > 0$ 且 $x \neq 2$,解集 $(-\infty, -1) \cup (2, +\infty)$
  5. 不一定。反例:$a = -1,\ b = -2$,有 $a > b$ 但 $a^2 = 1 < 4 = b^2$。原因是乘方性质要求 $a > b > 0$(都为正数)

提高题

  1. 两边乘 $-1$ 变号:$x^2 - 4x + 3 \leq 0 \Rightarrow (x-1)(x-3) \leq 0 \Rightarrow 1 \leq x \leq 3$
  2. 因式 $(x-3)^2$ 为偶次因式(根 $x=3$ 处"折回"),穿针后 $\leq 0$ 取数轴下方与根点:解集 $(-\infty, -2] \cup [1, 3]$
  3. $xy \leq \left(\dfrac{x+y}{2}\right)^2 = \dfrac14$,当 $x=y=\dfrac12$ 时取等,最大值为 $\dfrac14$
  4. 需 $\Delta \leq 0$:$(-2)^2 - 4(k-3) \leq 0 \Rightarrow 4 - 4k + 12 \leq 0 \Rightarrow k \geq 4$
  5. 因式分解:$(x - 2a)(x + a) < 0$,两根 $2a$ 与 $-a$。当 $a > 0$:$(-a, 2a)$;当 $a < 0$:$(2a, -a)$;当 $a = 0$:$x^2 < 0$ 无解

拓展题

  1. $y = 2x + \dfrac{2}{x-1} = 2(x-1) + \dfrac{2}{x-1} + 2 \geq 2\sqrt{2(x-1)\cdot\dfrac{2}{x-1}} + 2 = 4 + 2 = 6$,当 $2(x-1) = \dfrac{2}{x-1}$ 即 $x = 2$ 时取等,最小值为 $6$
  2. $\dfrac{a}{b} + \dfrac{b}{a} \geq 2\sqrt{\dfrac{a}{b}\cdot\dfrac{b}{a}} = 2$,当 $a = b$ 时取等
  3. $y = x^2 - 2x + m = (x-1)^2 + m - 1$,在 $[0,2]$ 上最小值为 $m - 1$(在 $x=1$ 取到),故需 $m - 1 \geq 0 \Rightarrow m \geq 1$

十、145+目标行动建议

10.1 不等式在高考中的定位

维度说明
分值占比主要以"融合题"出现,直接或间接涉及约 15-20 分
难度级别基础题到压轴题都有,是"得分基本盘 + 拉分点"兼具的章节
考查形式选择题、填空题(解不等式、求最值)、解答题(恒成立、参数范围)

核心结论:不等式几乎不单独出大题,却"埋伏"在函数、数列、解析几何、导数压轴题里。它是决定你是否能稳定中档、冲击压轴的地基。

10.2 必做:夯实三个"地基"

  1. 不等式性质:把 2.2 的三大易错点背成条件反射(尤其"乘负变号");
  2. 三个二次:图像法滚瓜烂熟,"大于取两边、小于取中间"形成肌肉记忆;
  3. 基本不等式:把"一正二定三相等"内化,典型结构($x+\dfrac1x$、$\dfrac1x+\dfrac4y$、"1代换")做到一眼识别。

10.3 必做:打通"不等式 ↔ 函数"的通道

高频综合题型:

  1. 定义域:解 $f(x)=\sqrt{x-1}+\dfrac{1}{x-2}$ 的定义域 $\Rightarrow$ 解不等式组;
  2. 恒成立:$f(x) \geq 0$ 恒成立 $\Rightarrow$ 转化为最值 / 判别式;
  3. 求最值:函数最值 $\Rightarrow$ 基本不等式定值配凑。

10.4 时间分配建议(暑期预习 + 高一跟进)

阶段时间任务
第 1 天60 分钟通读本章,重点吃透"三个二次"与图像法
第 2 天60 分钟主攻基本不等式与"一正二定三相等"
第 3 天45 分钟完成基础题 + 提高题,对照答案订正
第 4 天30 分钟错题复盘,整理易错点(乘负变号、等号取等条件)
后续每天 10 分钟限时做 3-5 道不等式题保持手感

10.5 学习路径衔接

完成本章后,建议按序推进:

  1. 与本专题配套的 《柯西不等式求最值——通用解题方法》 笔记;
  2. 进入 函数章节(不等式求定义域、值域、最值会反复用到);
  3. 后续可回看 《函数与不等式章节深度学习材料》 中的绝对值、柯西拓展,形成"不等式能力闭环"。

tags: #高考 #数学 #不等式 #学习材料

关键词:不等式 / 八大性质 / 三个二次 / 基本不等式 / 穿针引线 / 绝对值 / 柯西

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