专题6.3 二元一次不等式(组)与线性规划-2022年高考数学一轮复习核心素养大揭秘学案
展开第六篇 不等式、推理与证明
专题6.3 二元一次不等式(组)与线性规划
【考纲要求】
1.会从实际情境中抽象出二元一次不等式组.
2.了解二元一次不等式的几何意义,能用平面区域表示二元一次不等式组.
3.会从实际情境中抽象出一些简单的二元线性规划问题,并能加以解决
【命题趋势】
对线性规划的考查常以线性目标函数的最值为重点,兼顾考查代数式的几何意义,有时也考查用线性规划知识解决实际问题.
【核心素养】
本讲内容主要考查直观想象、数学建模、数学运算的核心素养.
【素养清单•基础知识】
1.二元一次不等式表示的平面区域
(1)一般地,在平面直角坐标系中,二元一次不等式Ax+By+C>0表示直线Ax+By+C=0某一侧的所有点组成的平面区域(半平面),不包括边界直线,把边界直线画成虚线;不等式Ax+By+C≥0所表示的平面区域(半平面)包括边界直线,把边界直线画成实线.
(2)对于直线Ax+By+C=0同一侧的所有点(x,y),使得Ax+By+C的值符号相同,也就是位于同一半平面的点,如果其坐标满足Ax+By+C>0,则位于另一个半平面内的点,其坐标满足Ax+By+C<0.
(3)可在直线Ax+By+C=0的一侧任取一点,一般取特殊点(x0,y0),从Ax0+By0+C的符号就可以判断Ax+By+C>0(或Ax+By+C<0)所表示的区域.
(4)由几个不等式组成的不等式组所表示的平面区域,是各不等式所表示的平面区域的公共部分.
2.线性规划中的有关概念
名称
意义
约束条件
由变量x,y组成的不等式(组)
线性约束条件
由x,y的一次不等式(或方程)组成的不等式(组)
目标函数
欲求最大值或最小值的函数
线性目标函数
关于x,y的一次解析式
可行解
满足线性约束条件的解(x,y)
可行域
所有可行解组成的集合
最优解
使目标函数取得最大值或最小值的可行解
线性规划问题
在线性约束条件下求线性目标函数的最大值或最小值问题
【真题体验】
1.【2019年高考北京卷理数】若x,y满足,且y≥−1,则3x+y的最大值为( )
A.−7 B.1
C.5 D.7
【答案】C
【解析】由题意作出可行域如图阴影部分所示.
设,
当直线经过点时,取最大值5.故选C.
【名师点睛】本题是简单线性规划问题的基本题型,根据“画、移、解”等步骤可得解.题目难度不大,注重了基础知识、基本技能的考查.
2.【2019年高考天津卷理数】设变量满足约束条件,则目标函数的最大值为( )
A.2 B.3
C.5 D.6
【答案】D
【解析】已知不等式组表示的平面区域如图中的阴影部分.
目标函数的几何意义是直线在轴上的截距,
故目标函数在点处取得最大值.
由,得,
所以.
故选C.
【名师点睛】线性规划问题,首先明确可行域对应的是封闭区域还是开放区域,分界线是实线还是虚线,其次确定目标函数的几何意义,是求直线的截距、两点间距离的平方、直线的斜率、还是点到直线的距离等等,最后结合图形确定目标函数最值或范围.即:一画,二移,三求.
3.【2019年高考浙江卷】若实数满足约束条件,则的最大值是( )
A. B. 1
C. 10 D. 12
【答案】C
【解析】画出满足约束条件的可行域如图中阴影部分所示。
因为,所以.
平移直线可知,当该直线经过点A时,z取得最大值.
联立两直线方程可得,解得.
即点A坐标为,
所以.故选C.
【名师点睛】解答此类问题,要求作图要准确,观察要仔细.往往由于由于作图欠准确而影响答案的准确程度,也有可能在解方程组的过程中出错.
4.【2018年高考全国II卷理数】若满足约束条件 则的最大值为__________.
【答案】9
【解析】不等式组表示的可行域是以为顶点的三角形区域,如下图所示,目标函数的最大值必在顶点处取得,易知当时,.
【名师点睛】线性规划问题是高考中常考考点,主要以选择或填空的形式出现,基本题型为给出约束条件求目标函数的最值,主要结合方式有:截距型、斜率型、距离型等.
5.【2018年高考北京卷理数】若x,y满足,则2y−x的最小值是_________.
【答案】3
【解析】作出可行域,如图,则直线过点A(1,2)时,取最小值3.
【名师点睛】线性规划的实质是把代数问题几何化,即数形结合的思想.需要注意的是:
一、准确无误地作出可行域;
二、画目标函数所对应的直线时,要注意与约束条件中的直线的斜率进行比较,避免出错;
三、一般情况下,目标函数的最大或最小值会在可行域的端点或边界上取得.
解本题时,先作出可行域,再根据目标函数与可行域关系,确定最小值取法.
6.【2017年高考全国III卷理数】若,满足约束条件,则的最小值为__________.
【答案】
【解析】作出约束条件表示的可行域,如图中阴影部分所示.
目标函数即,易知直线在轴上的截距最大时,目标函数取得最小值,数形结合可得目标函数在点处取得最小值,为.
【名师点睛】求线性目标函数z=ax+by(ab≠0)的最值,当b>0时,直线过可行域且在y轴上的截距最大时,z值最大,在y轴上的截距最小时,z值最小;当b<0时,直线过可行域且在y轴上的截距最大时,z值最小,在y轴上的截距最小时,z值最大.
【考法解码•题型拓展】
考法一 二元一次不等式(组)表示的平面区域
解题技巧:确定二元一次不等式(组)表示的平面区域的方法
(1)“直线定界,特殊点定域”,即先作直线,再取特殊点并代入不等式.若满足不等式,则不等式表示的平面区域为与特殊点同侧的那部分区域;否则就对应与特殊点异侧的平面区域.若直线不过原点,特殊点一般取(0,0)点.
(2)当不等式中带等号时,边界为实线,不带等号时,边界应画为虚线.
【例1】 (1)如图阴影部分表示的区域可用二元一次不等式组表示为( )
A. B.
C. D.
【答案】A
【解析】两直线方程分别为x-2y+2=0与x+y-1=0.
由点(0,0)在直线x-2y+2=0右下方可知表示的区域为x-2y+2≥0,由点(0,0)在直线x+y-1=0左下方可知表示的区域为x+y-1≥0,所以为所表示的可行域.故选A.
(2)若不等式组表示的平面区域是一个三角形,则a的取值范围是__________.
【答案】(0,1]∪
【解析】不等式组表示的平面区域如图所示(阴影部分).解得A;解得B(1,0).若原不等式组表示的平面区域是一个三角形,则直线x+y=a中的a的取值是0<a≤1或a≥.
考法二 线性目标函数的最值问题
归纳总结
(1)求线性目标函数的最值.线性目标函数的最优解一般在平面区域的顶点或边界处取得,所以对于一般的线性规划问题,我们可以直接解出可行域的顶点,然后将坐标代入目标函数求出相应的数值,从而确定目标函数的最值.
(2)由目标函数的最值求参数.求解线性规划中含参问题的基本方法有两种:一是把参数当成常数用,根据线性规划问题的求解方法求出最优解,代入目标函数确定最值,通过构造方程或不等式求解参数的值或取值范围;二是先分离含有参数的式子,通过观察的方法确定含参的式子所满足的条件,确定最优解的位置,从而求出参数.
(3)利用可行域及最优解求参数及其范围.利用约束条件作出可行域,通过分析可行域及目标函数确定最优解的点,再利用已知条件可求参数的值或范围.
【例2】 (1)设变量x,y满足约束条件则目标函数z=2x+5y的最小值为( )
A.-4 B.6
C.10 D.17
【答案】B
【解析】由线性约束条件画出可行域(如图中阴影部分).
当直线2x+5y-z=0过点A(3,0)时,zmin=2×3+5×0=6.故选B.
(2)(2018·全国卷Ⅱ)若x,y满足约束条件则z=x+y的最大值为__________.
【答案】9
【解析】由不等式组画出可行域,(如图阴影部分).目标函数z=x+y取得最大值⇔斜率为-1的平行直线x+y=z(z看作常数)的截距最大,由图可得直线x+y=z过点C时,z取得最大值.
由得点C(5,4),所以zmax=5+4=9.
(3)x,y满足约束条件若z=y-ax取得最大值的最优解不唯一,则实数a的值为__________.
【答案】-1或2
【解析】作出可行域(如图所示的△ABC及其内部).
由题设z=y-ax取得最大值的最优解不唯一可知:线性目标函数取最大值时,对应的直线与可行域某一边界重合.
又kAB=-1,kAC=2,kBC=,所以a=-1或a=2或a=,
验证:a=-1或a=2时,满足题意;a=时,不满足题意.
考法三 非线性目标函数的最值问题
归纳总结:非线性目标函数最值问题的常见类型及求法
(1)距离平方型:目标函数为z=(x-a)2+(y-b)2时,可转化为可行域内的点(x,y)与点(a,b)之间的距离的平方求解.
(2)斜率型:对形如z=(ac≠0)型的目标函数,可利用斜率的几何意义来求最值,即先变形为z=·的形式,将问题化为求可行域内的点(x,y)与点连线的斜率的倍的取值范围、最值等.
(3)点到直线距离型:对形如z=|Ax+By+C|型的目标函数,可先变形为z=·的形式,将问题化为求可行域内的点(x,y)到直线Ax+By+C=0的距离的倍的最值.
【例3】 (1)已知实数x,y满足则的取值范围是( )
A. B.[1,5]
C. D.[0,5]
【答案】C
【解析】由约束条件作出可行域如图所示.
可得A(3,0),B(0,4),的几何意义为可行域内的动点(x,y)与定点P(-1,-1)连线的斜率.因为kPA=,kPB=5,所以的取值范围为.故选C.
(2)若实数x,y满足不等式组则x2+y2的最小值为__________.
【答案】5
【解析】先根据约束条件画出如图可行域,z=x2+y2表示可行域内的点到原点距离的平方,由图知,当在点A(1,2)时,z的最小值为12+22=5.
(3)已知实数x,y满足则z=|x+2y-6|的最大值与最小值之差为__________.
【答案】5
【解析】画出满足条件的可行域,如图所示,因为z=|x+2y-6|=·表示可行域内点P(x,y)到直线x+2y-6=0的距离的 倍,由图象知点A到直线x+2y-6=0的距离最小,点B到直线x+2y-6=0的距离最大,且计算可得出点A,点B(2,-1),所以zmin=·=1,zmax=·=6,所以zmax-zmin=5.
考法四 线性规划的实际应用
答题模板:解线性规划应用题的一般步骤
第一步:仔细阅读题目,分析题意,设出未知量.
第二步:列出线性约束条件和目标函数,将实际问题转化为线性规划问题.
第三步:作出可行域并利用数形结合求解这个线性规划问题.
第四步:将数学问题的答案还原为实际问题的答案.
【例4】 (2017·天津卷)电视台播放甲、乙两套连续剧,每次播放连续剧时,需要播放广告.已知每次播放甲、乙两套连续剧时,连续剧播放时长、广告播放时长、收视人次如表所示.
连续剧播放
时长/分钟
广告播放
时长/分钟
收视人次/万
甲
70
5
60
乙
60
5
25
已知电视台每周安排的甲、乙连续剧的总播放时间不多于600分钟,广告的总播放时间不少于30分钟,且甲连续剧播放的次数不多于乙连续剧播放次数的2倍.分别用x,y表示每周计划播出的甲、乙两套连续剧的次数.
(1)用x,y列出满足题目条件的数学关系式,并画出相应的平面区域;
(2)问电视台每周播出甲、乙两套连续剧各多少次,才能使总收视人次最多?
【答案】见解析
【解析】(1)由条件可知x,y满足的数学关系式为
即
该二元一次不等式组所表示的平面区域为图1中的阴影部分.
(2)设总收视人次为z万,则目标函数为z=60x+25y.
考虑z=60x+25y,将它变形为y=-x+,这是斜率为-,随z变化的一簇平行线.为直线在y轴上的截距,当取得最大值时,z的值最大.又因为x,y满足约束条件,所以由图2可知,当直线z=60x+25y经过可行域上的点M时,截距最大,即z最大.
解方程组得点M的坐标为(6,3).
所以电视台每周播出甲连续剧6次、乙连续剧3次时才能使总收视人次最多.
【易错警示】
易错点 不能正确判断取最值的位置
【典例】 设变量x,y满足约束条件,则目标函数z=x+2y的最小值为( )
A.2 B.3
C.4 D.5
【错解】:由给定的三条直线可得到可行域边界的交点分别为A(1,1),B(3,1),C(2,0),将三个点代入目标函数z=x+2y中,并比较可知,当目标函数过点C(2,0)时,zmin=2,故选A.
【错因分析】:这个解答,没有意识到交点C不在可行域内.线性目标函数的最值一般在边界线或边界线的交点处取得,但应注意有的边界线的交点并不在可行域内,这时在这些点处当然就取不到最值了,因此解题时要注意画图.
【正解】:作出可行域,如图所示.由z=x+2y得y=-x+,故将直线y=-x向上平移,当过点A(1,1)时,z有最小值3.
【误区防范】求目标函数的最值时应注意的问题
(1)求目标函数的最值时,易弄错目标函数的几何意义而求错,解题时要注意分析线性目标函数所表示的几何意义.
(2)线性目标函数的最大(小)值一般在可行域的顶点处取得,也可能在边界处取得.
【跟踪训练】 设变量x,y满足约束条件若目标函数z=x+ky(k>0)的最小值为13,则实数k=__________.
【答案】5或
【解析】作出不等式组表示的平面区域,如图所示.
由图和题意可知z=x+ky(k>0)过点A或B时取得最小值,所以+k=13或+k=13,解得k=5或.
【递进题组】
1.不等式(x-2y+1)(x+y-3)≤0在坐标平面内表示的区域(用阴影部分表示)大致是( )
【答案】C
【解析】 由(x-2y+1)(x+y-3)≤0可得或与C项符合.故选C.
2.(2018·全国卷Ⅲ改编)设x,y满足约束条件则z=x+y的最大值是( )
A. B.1
C. D.3
【答案】D
【解析】 画出可行域如图所示阴影部分,由z=x+y得y=-3x+3z,作出直线y=-3x,并平移该直线,当直线y=-3x+3z过点A(2,3)时,目标函数z=x+y取得最大值为2+×3=3.
3.若实数x,y满足不等式组目标函数t=x-2y的最大值为2,则实数a的值是( )
A.-2 B.0
C.1 D.2
【答案】D
【解析】 可行域为△ABC及其内部,如图所示.由图可知,当目标函数t=x-2y过点A时有最大值,直线x-2y=2与直线x-2=0的交点坐标为(2,0),代入直线x+2y-a=0,得a=2.故选D.
4.已知实数x,y满足则k=的最大值为( )
A. B.
C.1 D.
【答案】C
【解析】 如图,不等式组表示的平面区域为△AOB的边界及其内部区域,
k==表示点(x,y)和(-1,0)的连线的斜率.由图知,点(0,1)和点(-1,0)连线的斜率最大,所以kmax==1.故选C.
5.(2016·全国卷Ⅰ)某高科技企业生产产品A和产品B需要甲、乙两种新型材料.生产一件产品A需要甲材料1.5 kg,乙材料1 kg,用5个工时;生产一件产品B需要甲材料0.5 kg,乙材料0.3 kg,用3个工时.生产一件产品A的利润为2 100元,生产一件产品B的利润为900元.该企业现有甲材料150 kg,乙材料90 kg,则在不超过600个工时的条件下,生产产品A、产品B的利润之和的最大值为__________元.
【答案】见解析
【解析】 设生产x件产品A,生产y件产品B,利润之和为z元,则z=2 100x+900y.
根据题意得即
作出可行域(如图中阴影部分所示).
由得
当直线2 100x+900y-z=0过点M(60,100)时,z取得最大值,zmax=2 100×60+900×100=216 000.
故所求的最大值为216 000元.
答案 216 000
【考卷送检】
一、选择题
1.(2019·福州期末质检)不等式组的解集记为D.有下列四个命题:
p1:∀(x,y)∈D,x-2y≥2;
p2:∃(x,y)∈D,x-2y≥3;
p3:∀(x,y)∈D,x-2y≥;
p4:∃(x,y)∈D,x-2y≤-2.
其中是真命题的是( )
A.p2,p3 B.p1,p4
C.p1,p2 D.p1,p3
【答案】A
【解析】 作出不等式组表示的平面区域如图所示,设z=x-2y,即y=-,由解得则A,目标函数z=x-2y过点A时取得最小值,即x-2y≥,所以p2,p3为真命题,p1,p4为假命题,故选A.
2.设变量x,y满足约束条件则目标函数z=3x-y的取值范围是( )
A. B.
C.[-1,6] D.
【答案】A
【解析】 不等式组表示的平面区域如图中阴影部分所示.由图可知当直线z=3x-y过点A(2,0)时,z取得最大值6,过点B时,z取得最小值-.故选A.
3.不等式组表示的平面区域为Ω,直线y=kx-1与区域Ω有公共点,则实数k的取值范围为( )
A.(0,3] B.[-1,1]
C.(-∞,3] D.[3,+∞)
【答案】D
【解析】 作出不等式表示的平面区域(阴影),直线y=kx-1过定点M(0,-1),由图可知,当直线y=kx-1经过直线y=x+1与直线x+y=3的交点C(1,2)时,k最小,此时kC M==3,因此k≥3,即k∈[3,+∞).故选D.
4.设变量x,y满足约束条件则目标函数z=x2+y2的取值范围为( )
A.[2,8] B.[4,13]
C.[2,13] D.
【答案】C
【解析】 作出可行域,如图中阴影部分,将目标函数看作是可行域内的点到原点的距离的平方,过点O作OA垂直直线x+y=2,垂足为A,设直线x-y=1与y=2交于点B,从而可得zmin=|OA|2=2=2,zmax=|OB|2=32+22=13.故z∈[2,13].
5.若实数x,y满足且z=y-x的最小值为-2,则k的值为( )
A.1 B.-1
C.2 D.-2
【答案】B
【解析】 将选项中的k值分别代入约束条件中,则当k=1或k=2时,目标函数z=y-x无最小值;当k=-2时,直线y=x+z过点(0,2)时,有zmin=2;当k=-1时,直线y=x+z过点(2,0)时,有zmin=-2.故选B.
6.若关于x,y的不等式组所表示的平面区域的面积等于2,则a的值为( )
A.3 B.6
C.5 D.4
【答案】A
【解析】 先作出不等式组对应的区域,如图.因为直线ax-y+1=0过定点(0,1),且不等式ax-y+1≥0表示的区域在直线ax-y+1=0的右下方,所以△ABC为不等式组对应的平面区域.因为A到直线BC的距离为1,所以S△ABC=×1×BC=2,所以BC=4.当x=1时,yC=1+a,所以1+a=4,解得a=3.
二、填空题
7.(2018·北京卷)若x,y满足x+1≤y≤2x,则2y-x的最小值是________.
【答案】 3
【解析】 由条件得即作出可行域,如图中阴影部分所示.设z=2y-x,即y=x+z,作直线l0:y=x并向上平移,显然当l0过点A(1,2)时,z取得最小值,zmin=2×2-1=3.
8.若点(x,y)位于曲线y=|x-1|与y=2所围成的封闭区域内,则z=2x-y的最小值为________.
【答案】 -4
【解析】 曲线y=|x-1|与y=2所围成的封闭区域如图.由z=2x-y得y=2x-z.当直线y=2x-z经过点(-1,2)时,直线在y轴上的截距最大,此时z的值最小,故zmin=2×(-1)-2=-4,即2x-y的最小值为-4.
9.(2019·银川二中模拟)某工厂用A,B两种配件来生产甲、乙两种产品,每生产一件甲产品使用4个A配件,耗时1 h,每生产一件乙产品使用4个B配件,耗时2 h,该厂每天最多可从配件厂获得24个A配件和16个B配件,每天生产总耗时不超过8 h.若生产一件甲产品获利3万元,生产一件乙产品获利4万元,则通过合理安排,该工厂每天可获得的最大利润为________万元.
【答案】 22
【解析】 设分别生产甲、乙两种产品x件,y件,工厂每天获得的利润为z万元,由已知条件可得二元一次不等式组即作出可行域如图中阴影部分(整数点)所示,目标函数为z=3x+4y,由图可知目标函数在点A处取得最大值,由可得A(6,1),所以x=6,y=1时,该工厂的日利润最大,为22万元.
三、解答题
10.如图所示,已知D是以点A(4,1),B(-1,-6),C(-3,2)为顶点的三角形区域(包括边界与内部).
(1)写出表示区域D的不等式组;
(2)设点B(-1,-6),C(-3,2)在直线4x-3y-a=0的异侧,求a的取值范围.
【答案】见解析
【解析】 (1)直线AB,AC,BC的方程分别为7x-5y-23=0,x+7y-11=0,4x+y+10=0.原点(0,0)在区域D内,故表示区域D的不等式组为
(2)根据题意有[4×(-1)-3×(-6)-a]·[4×(-3)-3×2-a]<0,即(14-a)(-18-a)<0,解得-18<a<14.故a的取值范围是(-18,14).
11.设x,y满足条件
(1)求u=x2+y2的最大值与最小值;
(2)求v=的最大值与最小值;
(3)求z=|2x+y+4|的最大值与最小值.
【答案】见解析
【解析】 画出满足条件的可行域,如图所示.
(1)x2+y2=u表示一组同心圆(圆心为原点O),且对同一圆上的点x2+y2的值都相等,由图象可知:当(x,y)在可行域内取值时,当且仅当圆O过C点时,u最大,过点(0,0)时,u最小.又C(3,8),所以umax=73,umin=0.
(2)v=表示可行域内的点P(x,y)到定点D(5,0)的斜率,由图象可知kBD最大,kCD最小.又因为C(3,8),B(3,-3),所以vmax==,vmin==-4.
(3)因为z=|2x+y+4|=·表示可行域内点P(x,y)到直线2x+y+4=0的距离的倍,由图象知A到直线2x+y+4=0的距离最小,C到直线2x+y+4=0的距离最大.又因为A,C(3,8),故当x=-,y=时,zmin=·=;当x=3,y=8时,zmax=·=18.
12.(2019·长沙三中月考)投资人制定投资计划时,不仅要考虑可能获得的盈利,而且要考虑可能出现的亏损,一投资人打算投资甲、乙两个项目.根据预测,甲、乙项目可能的最大盈利率分别为50%和40%,可能的最大亏损率分别为30%和20%.投资人计划投资金额不超过10万元,要求确保可能的资金亏损不超过2.4万元.设甲、乙两个项目投资额分别为x,y万元.
(1)写出x,y满足的约束条件;
(2)求可能盈利的最大值(单位:万元).
【答案】见解析
【解析】(1)x,y满足的约束条件为
(2)设目标函数z=0.5x+0.4y,上述不等式组表示的平面区域如图中阴影部分所示,平移直线l0:0.5x+0.4y=0,当经过点M时,z=0.5x+0.4y取得最大值.解方程组得x=4,y=6.此时zmax=0.5×4+0.4×6=4.4(万元).
13.(2019·洛阳一中期中)已知点M(a,b)与点N(0,-1)在直线3x-4y+5=0的两侧,给出以下结论:
①3a-4b+5>0;②当a>0时,a+b有最小值,无最大值;③a2+b2>1;④当a>0且a≠1时,的取值范围是∪.
正确的个数是( )
A.1 B.2
C.3 D.4
【答案】B
【解析】 因为点M(a,b)与点N(0,-1)在直线3x-4y+5=0的两侧,所以9(3a-4b+5)<0,即3a-4b+5<0,故①错误;作出不等式3a-4b+5<0的可行域(如图中阴影部分,不包含边界),当a>0时,由图知a+b无最小值,也无最大值,故②错误;3a-4b+5<0表示的区域是直线3x-4y+5=0的左上方,a2+b2表示阴影部分的点M(a,b)和原点间的距离的平方,则d>=1,故③正确;表示阴影部分的点M(a,b)和B(1,-1)连线的斜率,由图象得>k1=或<kAB==-,故④正确.故选B.
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