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1、1,利用均值不等式證明不等式
(1)均值不等式:設(shè)是n個(gè)正實(shí)數(shù),記
它們分別稱為n個(gè)正數(shù)的調(diào)和平均數(shù),幾何平均數(shù),算術(shù)平均數(shù),平方平均數(shù)。有如下關(guān)系:.等號(hào)成立的充要條件是。
先證
證法三:
上述不等式在數(shù)學(xué)競賽中應(yīng)用極為廣泛,好的、難的不等式問題往往只需用它們即可解決,而無需過分追求所謂更“高級(jí)”的不等式,這是應(yīng)該引起我們注意的。
例1:求證下列不等式:
(1),
(2)
(3),其中
證明(1)
當(dāng)且僅當(dāng),即取等號(hào)。
證明(2
2、)
∴
證明(3),同理
,三式相加得
另一方面,
同理,
三式相加得
說明:(1)中涉及到與常數(shù)相關(guān)的不等式的證明問題,通過變形使其出現(xiàn)互為倒數(shù)的因式,利用均值不等式證得。(3)中累加的方法是常用的處理手段。
例2:若且,求證:
證明:左邊
例3:已知是正數(shù),滿足
求證:(89年聯(lián)賽試題)
證明:,同理:,…
,將以上式子相乘即得證。
例4:,求證:
證明:由有
顯然上式不可能取等號(hào),故原不等式成立。
說明:注意到的表達(dá)式的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),當(dāng)一些正數(shù)的倒數(shù)和易于化簡時(shí),應(yīng)考慮含的均值不等式。
例5:若,求證:
證明:由有
∵ ,∴上式不可
3、能取等號(hào)。
故原不等式得證。
例6:設(shè)是1,2,…n的一個(gè)排列,求證:
證明:∵是1,2,…n的一個(gè)排列
∴
于是
=
而
所以
說明:由于不等式的左邊值的估計(jì)較為不便,且右邊由于排列的任意性導(dǎo)致若直接用均值不等式放縮則“度”太大了,所以本題采用在兩邊均加上的變形處理。
例7:設(shè)a,b,c為正實(shí)數(shù),求證:
證明:
注:本題問題中由可以看得出給了均值定理的提示:,構(gòu)造均值定理是本題的關(guān)鍵。
例8: ,求證:
證明 左邊=
.
注:本題多次利用了均值不等式
本題也可以由,再處理.
例9:已知求證:
分析:通過放
4、縮,將異分母化為同分母,從而構(gòu)造成出一些“零件不等式”,最后,將這些“零件不等式”相加,即可得出原不等式的證明。
證明:
①
同理可得 ②
③
將①、②、③三個(gè)零件不等式相加,得
注:本題的技巧在于將三個(gè)異分母的分式放縮成三個(gè)同分母的分式,構(gòu)造出“零件不等式”①、②、③。
例10:如圖△ABC及其內(nèi)接△DEF分原三角形所得△AEF、△BDF、△CDE中,至少有一個(gè)三角形的面積不大于原△ABC面積的(這里所指△ABC的內(nèi)接三角形DEF,是頂點(diǎn)D、E、F分別在△ABC三條邊上的三角形)
證明:
5、如圖,設(shè)△ABC三邊BC=a,CA=b,AB=c,且AE=e,AF=f,BD=m,BF=n,DC=p,EC=q,逆用公式,并注意到,于是有
, ,
, 更注意到
若S△CDE、S△AEF、S△BDF皆大于S△ABC的,(*)式不可能成立,故所給四個(gè)三角形面積中,至少有一個(gè)不大于
類似例子很多,望同學(xué)們在做題實(shí)踐中,更多予以總結(jié),不斷提高自己的分析,歸納解題能力。
例11:已知,,,
求證:
證明:令,則,且
∴
∴
∴
說明:本題采用變量代換的方式清晰地展現(xiàn)了已知條件與結(jié)論表達(dá)式中變量的關(guān)系。
例12; 設(shè),求證:,其中都
是非負(fù)整數(shù),且
分析與
6、解:欲證的不等式涉及到的量較多,為此先考察特殊情形:,即先證明,該不等式關(guān)于輪換對稱,不妨設(shè),則左-右
,故式成立
進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn),式本身無助于原不等式的證明,其證明方法也不能推廣到原不等式,故需重新考慮式的具有啟發(fā)原不等式證明的其它證法。
考慮常用不等式證明的方法發(fā)現(xiàn),式可以利用“均值不等式”或證,即
同理:以上三個(gè)式相加即得式。
運(yùn)用此法再考慮原一般問題就簡單多了,仿上,
7、
以上三個(gè)式相加即得待證不等式。
例13:設(shè)銳角滿足,求證:
分析與解:由已知,立即聯(lián)想到長方體得對角線公式:
,令,
以為棱構(gòu)造長方體,則易知:,
同理:,
上面是從條件中隱含的數(shù)形關(guān)系中探索思考解題的途徑,那么,從結(jié)論不等式中觀察到什么呢?由,即是三個(gè)不等式相乘的結(jié)果,就可以再變化為:,這樣也無需構(gòu)造長方體模型,而采用下面的證法:
由,知
都是銳角,
8、 同理:,
將上面三個(gè)不等式兩邊分別相乘,即得待證不等式
通過上例的求解分析過程,我們可以看到問題的本質(zhì).
例14: 設(shè),求證:
證明 令,則
分兩種情形:
(1)時(shí),.
(2)時(shí),.
點(diǎn)評(píng) 注意到,故先作代換,使的表達(dá)形式更簡單,放縮較為大膽,但要注意時(shí)能取到符號(hào),放縮不能過頭,最后回到平均值不等式。
例15:設(shè)為正實(shí)數(shù),且滿足1
求證:
證明:由均值不等式得:
從而
同理
各式相加得
又由題設(shè)得
代入上式即得。
說明:本題充分利用了等號(hào)成立的條件是“”
進(jìn)行代數(shù)式的變形,借助1進(jìn)行消
9、元,使問題得以解決。
所以,不等式得證.
例16: 設(shè)且1.
求證:
證明:
①
由均值不等式得
,
,
.
將以上三個(gè)不等式相加得
因此,所證不等式成立。
注:本題待證的不等式為非齊次不等式,先利用條件“”,將其轉(zhuǎn)化為齊次不等式①,再利用均值不等式使問題獲解。
例:17: 設(shè)a、b、c、d為正數(shù),且
求證:
分析:本題屬于非齊次不等式,且次數(shù)較高,處理此題的切入點(diǎn),還是利用已知等式將其齊次化。
證明:由均值不等式
,
故只須證即須證
10、 ①
令 于是,
式①
②
下面證明式②.
③
同理,
④
將式③,④相乘得
因此,所證不等式成立。
例18:設(shè)a,b,c為正實(shí)數(shù),求證:
分析 本題的難點(diǎn)是分母較復(fù)雜,可以嘗試用代換的辦法化簡分母。
證 令
則由此可得
從而
不難算出,對任何正實(shí)數(shù)a,只要
就可取到上述的等號(hào)。
注 代換法(換元法)是常用的化簡分母、去分母、去根號(hào)的一種方法。
11、19:對任意a,b,cR+,證明:
(a2+2)(b2+2)(c2+2)≥ 9(ab+bc+ca).
證明 原不等式a2 b2 c2 +2+4+8 ≥ 9.
由抽屜原理,不妨設(shè)a和b同時(shí)大于等于1,或同時(shí)小于等于1。
則
c2(a2-1)(b2-1)≥ 0
即
a2 b2 c2+ c2≥a2 c2+ b2 c2
由均值不等式,有以及≥.
2+ 3+ 6 ≥ 7.
又由知2+ a2 b2 c2+=2+a2 b2 c2+
≥ a2 + b2 + a2c2 + b2c2 +2
= (a2 + b2 )+ (a2c2 +1)+
12、( b2c2 +1)
≥2a b+2ac+2bc
2+ a2 b2 c2+≥2a b+2ac+2bc.
+得a2 b2 c2 +2+4+8 ≥ 9.
即原不等式成立。
評(píng)注 這是一道美國數(shù)學(xué)奧林匹克試題。這里用抽屜原理構(gòu)造了一個(gè)局部不等式,結(jié)合算術(shù)-幾何平均值不等式給出了一個(gè)很精巧的證明,本題也可以利用柯西不等式與算術(shù)-幾何平均值來證明。
練習(xí)題
1 ,若且,求證: ,
證明:
又
,故有
所以不等式成立
2,若,求證:
證明:
,
故有
3.設(shè)△ABC內(nèi)切圓半
13、徑為r,,求證:
證明:由于“形似”,我們聯(lián)想到公式
a2+b2+c2≥ab+bc+ca,
于是有
繼續(xù)“聯(lián)想”三角形面積公式及內(nèi)切圓半徑公式:
,及,
就有
從而證明了本題。
4:證明△ABC中,有以下關(guān)系成立:
證明:注意到余弦定理:
,
,
,
于是
即原命題成立
5:如圖,P是正△ABC內(nèi)一點(diǎn),A′、B′、C′分別是它在對應(yīng)邊上的射影。
求證:
證明:設(shè)PA′=x,PB′=y,PC′=z,△ABC底邊上的高為h,則x+y+z=h,且
命題成立
6: 已知,且均為銳角,求證:
證明:
14、
又,
即
那么
所以
故有不等式成立
7:若,求證:
證明:∵中任意二數(shù)之和為正,
∴中至多有一個(gè)非正,若有一個(gè)數(shù)非正,結(jié)論顯然成立。
若均為正,則
同理:
三式相乘即得證。
說明:應(yīng)用基本不等式和不等式的基本性質(zhì)推證不等式時(shí)應(yīng)注意這些結(jié)論成立的條件。
8:已知,求證:
(1997年第26屆美國數(shù)學(xué)奧林匹克競賽試題)
證明:∵,又∵
∴,∴
同理,
例1:已知:是三角形的三邊,求證:
證明:令,,則
且,則原不等式等價(jià)于
,左邊拆開為六項(xiàng),由均
15、值不等式即證得。
9:若為ABC的三邊,,求證:
證明:令 則
則所證不等式的左邊為
說明:換元法是常用的化簡分母,去分母,去根號(hào)的一種方法。
10:已知,,且,,
求證:
證明:令,,
則,,變?yōu)?
,,,要證的不等式邊為
等價(jià)于 (※)
注意到以為邊長可以構(gòu)成三角形,我們令
將其代入(※)即得:
由均值不等式得:,,
上述三式相加即得證不等式。
說明:對于條件,常作代換,,
從而使非奇次不等式變?yōu)槠娲尾坏仁剑硗?,三角形三邊常用的代換為:。
11:已知,,求證
(IMO,2000)
證明:令,,則原不等式變?yōu)?
,這樣就
16、變?yōu)槲覀兪煜さ牟坏仁筋}了。
12:設(shè)為正數(shù),求證:
++(第39屆IMO預(yù)選題)
證明:由均值不等式++
同理:++
++
所以++
說明:根據(jù)等號(hào)成立的條件,進(jìn)行了上述變形。
13:設(shè),求證
(IMO,2001)
證法1:先證,
由
由平均值不等式可知,上式顯然成立,同理可知:
把以上三式相加,就可得所證不等式成立。
說明:對于形如的輪換不等式,根據(jù)不等式的特征,可夠造如下不等式:或
的一系列不等式,,其中的可以用待定系數(shù)法求出。
證法2:令,,
則,,,
故=512
如果,則
=
=512
矛盾,故,即原命題成立。
14: 已知正數(shù)且,并滿足
,求證:
證明:令,由已知條件應(yīng)有:
于是
把以上諸式利用均值不等式,得:
再把上述個(gè)不等式兩邊相乘,得:
即,由于
故有