均值不等式把定和与定积联系起来。有效的放缩不仅给出界,还应检查界能否达到。
两变量形式与证明
对 a,b≥0,由 (a−b)2≥0 得
a+b≥2ab,
等号当且仅当 a=b。对正数还有调和、几何、算术、平方平均之间的关系
a+b2ab≤ab≤2a+b≤2a2+b2.
最后一项由 (a−b)2≥0 得到,第一项由 a+b≥2ab 得到。全部等号条件均为 a=b。
三变量形式与平方和推论
对非负实数 a,b,c,
a+b+c≥33abc,
等号当且仅当 a=b=c。除使用一般均值不等式外,也可直接令 x=3a,y=3b,z=3c,利用
x3+y3+z3−3xyz=2x+y+z[(x−y)2+(y−z)2+(z−x)2]≥0.
右边取零时,若 x+y+z=0,则三者均为零;否则三个平方均须为零。因此等号条件仍为三数相等。
对任意实数 a,b,c,还有
a2+b2+c2≥ab+bc+ca,
3(a2+b2+c2)≥(a+b+c)2≥3(ab+bc+ca).
第一式作差等于 21[(a−b)2+(b−c)2+(c−a)2]。第二行的左右两个不等式展开后都等价于第一式,因此等号均当且仅当 a=b=c。这些平方和结论允许负数,与含几何平均的正性条件不同。
算术—几何均值及四种均值的完整链
对 n≥2 个非负实数 a1,…,an,
na1+⋯+an≥na1⋯an,
等号当且仅当所有 ai 相等。特别地,a+b≥2ab,a+b+c≥33abc;将 ai 换成 ain,得到 ∑ain≥n∏ai。
不借助微积分的证明。 两项情形是 (a−b)2≥0。若 n 项结论成立,先将 2n 项分成两组应用 n 项结论,再对两组的算术均值应用两项结论,即得 2n 项结论。因此所有 2k 项成立。若 m 项成立,给 m−1 个正数添上其算术均值 A,则 Am≥(a1⋯am−1)A,约去 A 就得到 m−1 项结论。由足够大的 2k 逐次降阶,得到任意 n。含零时直接成立,取等要求各数全为零或在正数证明中逐步取等,因此仍是各数相等。
两项几何解释:以长 a+b 的线段为直径作半圆,从分点向半圆作垂线,高为 ab,不超过半径 (a+b)/2。
对正数 ai 定义
H=∑1/ain,G=(∏ai)1/n,A=n∑ai,Q=n∑ai2.
则 H≤G≤A≤Q,每一处等号均等价于各数相等。H≤G 来自对 1/ai 应用算术—几何均值;G≤A 已证;最后一处由
n∑ai2−(∑ai)2=i<j∑(ai−aj)2≥0
证明。允许零时 G,A,Q 仍有定义,H 的分式定义则不能直接使用。
固定周长为什么正方形面积最大
设矩形边长 x,y>0、周长为 2s,则 x+y=s。由 (x−y)2≥0,得到
4xy≤(x+y)2=s2.
因此面积 xy≤s2/4,当且仅当 x=y=s/2 时取得最大值。这里“和固定”使右端成为真正的常数。
反过来,固定面积 xy=p>0 时,x+y≥2p,所以周长最小为 4p,同样在正方形处取得。这两个问题分别体现“定和求积”与“定积求和”。
例:配凑与取等
当 x>0 时,x+4/x≥2x⋅4/x=4,等号要求 x=4/x,即 x=2。若限定 x≥3,取等点不在范围内,不能称最小值为 4。此时
x+4/x−13/3=3x(x−3)(3x−4)≥0,
故最小值实际为 13/3。
例:凑出定值并检查取等能否实现
求 x>1 时 x+4/(x−1) 的最小值。直接对 x 与 4/(x−1) 使用基本不等式,会得到随 x 变化的下界,不能立即确定最小值。
令 t=x−1>0,则
x+x−14=1+t+t4≥1+2t⋅t4=5.
等号要求 t=4/t,即 t=2,对应 x=3,确在定义域内,因此最小值为 5。
若另限 1<x≤2,等号点被排除。此时 0<t≤1,t+4/t 严格递减,最小值在 t=1 取得,原式最小值变成 6。已有一个下界,不等于找到了最小值。
关联阅读
先修:代数运算、恒等式与因式分解。
同主题:不等式的性质与解法 · 柯西不等式与分式形式。
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