不等式的证明方法

2019-06-11 00:07

中原工学院

1 常用方法

1.1比较法(作差法)[1]

在比较两个实数a和b的大小时,可借助a?b的符号来判断.步骤一般为:作差——变形——判断(正号、负号、零).变形时常用的方法有:配方、通分、因式分解、和差化积、应用已知定理、公式等.

例1 已知:a?0,b?0,求证:证明

a?b2a?b2?ab.

b)2?ab?a?b?2ab2a?b2?ab?(a?2?0,

故得 1.2作商法

.

在证题时,一般在a,b均为正数时,借助作商——变形——判断(大于1或小于1).

例2 设a?b?0,求证:aabb?abba. 证明 因为 a?b?0, 所以 而

abaab?1或

ab?1来判断其大小,步骤一般为:

?1,a?b?0.

baababb?a?????b?a?b?1,

故 aabb?abba. 1.3分析法(逆推法)

从要证明的结论出发,一步一步地推导,最后达到命题的已知条件(可明显成立的不等式、已知不等式等),其每一步的推导过程都必须可逆.

例3 求证:5?7?1?15. 证明 要证

35?19?4155?7?1?15,即证12?235?16?215,即

35?2?15,

,415?16,15?4,15?16.

由此逆推即得 5?7?1?15. 1.4综合法

1

[2]

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证题时,从已知条件入手,经过逐步的逻辑推导,运用已知的定义、定理、公式等,最终达到要证结论,这是一种常用的方法.

例4 已知:a,b同号,求证:证明 因为a,b同号, 所以 则

abab?ba?2.

ab??0,baabbaab?0, ba?2ba??2,

即 1.5反证法[3]

??2.

先假设要证明的结论不对,由此经过合理的逻辑推导得出矛盾,从而否定假设,导出结论的正确性,达到证题的目的.

例5 已知a?b?0,n是大于1的整数,求证:na?nb. 证明 假设 na?nb, 则 n即

baba?1,

?1,

故 b?a, 这与已知矛盾,所以na?nb. 1.6迭合法

把所要证明的结论先分解为几个较简单部分,分别证明其各部分成立,再利用同向不等式相加或相乘的性质,使原不等式获证.

例6 已知:a1?a2???an?1,b1?b2???bn?1,求证:

a1b1?a2b2???anbn?1.

222222[4]

证明 因为a1?a2???an?1,b1?b2???bn?1, 所以 a1?a2???an?1,b1?b2???bn?1. 由柯西不等式

a1b1?a2b2???anbn?a1?a2???an?222222222222222b1?b2???bn?1?1?1,

2

222中原工学院

所以原不等式获证. 1.7放缩法[5]

在证题过程中,根据不等式的传递性,常采用舍去一些正项(或负项)而使不等式的各项之和变小(或变大),或把和(或积)里的各项换以较大(或较小)的数,或在分式中扩大(或缩小)分式中的分子(或分母),从而达到证明的目的.值得注意的是“放”、“缩”得当,不要过头.常用方法为:改变分子(分母)放缩法、拆补放缩法、编组放缩法、寻找“中介量”放缩法.

例7 求证: ?2134??5656???99991000099991000022?0.01. ,则

证明 令p?p212?34????122?3422?5622???999910000?12?12?3224?1???99991000022?1?110001?110000,

所以 p?0.01. 1.8数学归纳法[6]

对于含有n(n?N)的不等式,当n取第一个值时不等式成立,如果使不等式在

n?k(n?N)时成立的假设下,还能证明不等式在n?k?1时也成立,那么肯定这个不等式

对n取第一个值以后的自然数都能成立.

例8 已知:a,b?R?,n?N,n?1,求证:an?bn?an?1b?abn?1. 证明 (1)当n?2时,a2?b2?ab?ab?2ab,不等式成立; (2)若n?k时,ak?bk?ak?1b?abk?1成立,则

ak?1?bk?1?a(a?b)?abkkk?bk?1?a(ak?1b?abk?1)?abk?bk?1

=akb?abk?(a2bk?1?2abk?bk?1)?akb?abk?bk?1(a?b)2?akb?abk, 即ak?1?bk?1?akb?abk成立.

根据(1)、(2),an?bn?an?1b?abn?1对于大于1的自然数n都成立. 1.9换元法

在证题过程中,以变量代换的方法,选择适当的辅助未知数,使问题的证明达到简化. 例9 已知:a?b?c?1,求证:ab?bc?ca?13.

3

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证明 设a?13?t,b?13?at(t?R),则c?13?(1?a)t,

?1??1??1??1??1??1?ab?bc?ca???t???at????at???(1?a)t????t???(1?a)t??3??3??3??3??3??3??13?(1?a?a)t22

?13,

13所以 ab?bc?ca?1.10三角代换法

.

借助三角变换,在证题中可使某些问题变易.

例10 已知:a2?b2?1,x2?y2?1,求证:ax?by?1. 证明 设a?sin?,则b?cos?;设x?sin?,则y?cos? 所以 ax?by?sin?sin??cos?cos??cos(???)?1. 1.11判别式法

通过构造一元二次方程,利用关于某一变元的二次三项式有实根时判别式的取值范围,来证明所要证明的不等式.

例11 设x,y?R,且x2?y2?1,求证:y?ax?1?a2. 证明 设m?y?ax,则y?ax?m 代入x2?y2?1中得 x2?(ax?m)2?1, 即 (1?a2)x2?2amx?(m2?1)?0 因为x,y?R,1?a2?0,所以??0,

即 (2am)2?4(1?a2)(m2?1)?0, 解得 m?1?a2,故y?ax?1?a2. 1.12标准化法[8]

形如f(x1,x2,?,xn)?sinx1sinx2?sinxn的函数,其中0?xi??,且

x1?x2???xn为常数,则当xi的值之间越接近时,f(x1,x2,?,xn)[7]

的值越大(或不变);

当x1?x2???xn时,f(x1,x2,?,xn)取最大值,即

4

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nf(x1,x2,?,xn)?sinx1sinx2?sinxn?sinx1?x2???xnnA?B2.

标准化定理:当A?B为常数时,有sinAsinB?sin证明:记A?B?C,则

f(x)?sinAsinB?sin22.

A?B2?sinAsin(C?A)?sin2C2,

求导得 f?(A)?sin(C?2A), 由f?(A)?0得 C?2A,即A?B. 又由 f??(A)??cos(B?A)?0, 知f?(A)的极大值点必在A?B时取得. 由于当A?B时,f?(A)?0,故得不等式.

同理,可推广到关于n个变元的情形. 例12 设A,B,C为三角形的三内角,求证:sin证明 由标准化定理得, 当A?B?C时, sinA2?sinB2?sinA2sinC2B2?sin12C2A2sinB2sinC2?18.

, 取最大值,

8?181故 sin1.13等式法

.

应用一些等式的结论,可以巧妙地给出一些难以证明的不等式的证明. 例13(1956年波兰数学竞赛题)、a,b,c为?ABC的三边长,求证:

2ab?2ac?2bc?a?b?c222222444.

12(a?b?c)证明 由海伦公式S?ABC?两边平方,移项整理得

16(S?ABC)2p(p?a)(p?b)(p?c),其中p?.

?2ab?2ac?2bc?a?b?c222222444

而S?ABC?0,

所以 2a2b2?2a2c2?2b2c2?a4?b4?c4. 1.14分解法

按照一定的法则,把一个数或式分解为几个数或式,使复杂问题转化为简单易解的基

5


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