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概念教学之概念应用
概念教学之概念应用
------凸函数在初等数学中的应用
凸函数在初等数学中究竟有哪些应用呢?首先,纵观历年(近两年)高考试题,会发现运用凸函数的知识去求解一些函数方面的题目,或者不等式的相关证明往往会有很多妙用。对于一个看似复杂的题目,按照通常的求法会很繁,然而,转换一下思考方法,用凸函数的知识去求解,会一目了然,化繁为简;其次,让我们再翻阅一下历年的高中数学联赛试题,会发现凸函数这一重要知识点在解题时起了非常大的作用;凸函数的相关知识,有些甚至涉及到求解数列方面的题目等,可见其应用广泛。在大学或更深一层研究领域里,凸函数的知识更是涉及广泛,它在研究函数性态、极值、拐点、不等式证明、微分中值定理等都发挥重要作用,尤其在研究函数性态上。下面,本文就凸函数的概念、性质,结合初等数学的相关知识,具体地来谈一谈凸函数在不等式中的应用。
一般利用凸函数的知识去证明不等式,可通过以下几种途径:①考察函数的单调性或极值;②考察函数的凸性;③应用凸函数知识推导的重要公式或性质。下面我们就来看看凸函数在不等式证明中的一些应用:
詹森不等式 设为上的凸函数,则对任意 有
证:应用数学归纳法,当时,由凸函数定义,显然成立。
设时,命题成立,即对任意及, 都有
现设及, 令则由数学归纳法可推得
这就证明了对任何正整数,凸函数总有上述不等式成立。
下面具体地来看看它的应用:
例1 证明不等式:
对任意实数 有
设 有
证明:(1) 设 由的一阶导数和二阶导数
可见其在中都是大于的,
所以为严格凸函数。依詹森不等式,有
从而 当且仅当时等号成立。
(2)考察函数 因为的一阶导数和二阶导数分别为 对,所以在是严格凸函数。因而,对于,应用詹森不等式有
即
由此得到
上式等号成立,当且仅当时。令,则得到
分析:对于上述两小题的证明,倘若不借助于詹森不等式,则将无从下手或很难突破,从而可以体现出凸函数在有些不等式的证明中具有一席之地。特别是在教难的不等式证明中,如下题
例2 证明不等式其中均为正数.
证明:设由的一阶导数和二阶导数分别为
显然
可见, 在时为严格凸函数,依詹森不等式有
从而
故有
所以
上述例子只是凸函数的简单应用,其实在中学的竞赛中,往往会用凸函数去解决一些难题。另外,在中学所学的不等式中还有许多重要的不等式可以用凸函数的性质去证明、推广。
例3 已知求证:.
解:考察函数在上的凸性,知其为严格下凸函数,
由不等式,得
在近几年的高考中,运用到凸函数的知识也是有的,如 ,全国(文)
例4 已知函数, 若判断与的大小,并加以证明.
解:分析:有函数,
可知当时,函数在为单调增函数,对照函数图象,知其为上凸函数,故有,当且仅当时取等号。
当时,函数在为单调减函数,对照函数图象,知其为下凸函数,故有,当且仅当时取等号。
最后,我要说的是,随着高考命题愈来愈灵活——依据课程标准,但又不拘泥于课程标准;中学竞赛愈来愈注重考察学生的探索精神。所以,类似于凸函数这样的知识点的应用将愈来愈广泛。因此,探讨和总结凸函数的性质及应用,对于深刻理解和牢固掌握函数的概念和性质,培养学生抽象思维和创新意识具有重要作用。
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