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不等式证明的基本方法
不等式证明的基本方法
? 临澧一中 胡斌
?
例5-2-7? 已知a,b,c∈R+,证明不等式:
当且仅当a=b=c时取等号。
解? 用综合法。因a>0,b>0,c>0,故有
三式分边相加,得
当且仅当a=b=c时取等号。
例5-2-8? 设t>0。证明:对任意自然数n,不等式
tn-nt+(n-1)≥0
都成立,并说明在什么条件下等号成立。
解? 当n=1时,不等式显然成立,且取等号。
当n≥2时,由幂分拆不等式,可得以下n-1个不等式:
t2+1≥t+t,t3+1≥t2+t,…,
tn-1+1≥tn-2+t,tn+1≥tn-1+t
以上各式当且仅当t=1时取等号。把它们分边相加,得
故对任意n∈N,不等式获证。等号成立的条件是n=1,或t=1。
注? ①在以上不等中令t=1+x(x>-1),即得著名的贝努利不等式(1+x)n≥1+nx
例5-2-9 ?设a,b,c都是正数,证明不等式
当且仅当a=b=c时取等号。
分析? 本例有多种精彩证法。根据对称性,可从左边一项、两项入手,当然也可根据平均值不等式或幂分拆不等式从整体入手。
解? [法一]? 从一项入手,适当配凑后由平均值不等式知
三式分边相加,即得
时,上式取等号。
[法二]? 从两入手,利用幂分拆不等式,有
同理有
三式分边相加,得
[法三]? 从整理入手,原不等式等价于
进一步证明参考习题5-2-7(1)解答。
[法四]? 由平均值不等式x2+(λy)2≥2λxy(x,y,∈R+)的变式
三式分边相加,得
所以
注? 从证法4我们看到,利用平均值不等式x2+(λy)2≥2λxy(x,
式不等式,思路自然,简捷明快,颇具特色。
例5-2-10? 已知关于x的实系数方程x2+px+q=0有两个实数根α,β。证明:若|α|<2,|β|<2,则|q|<4,且2|p|>4+q。
解? 先证|q|<4,由韦达定理知
|q|=|αβ|=|α|·|β|<2×2=4
再证2|p|>4+q。
欲证不等式即0≤2|α+β|<4+αβ。故只须证
4(α+β)2<(4+αβ)2
即? 4α+8αβ+4β2<16+8αβ+α2β2
从而只须证
16-4α2-4β2+α2β2>0
即? (4-α2)(4-β2)>0
由|α|<2,|β|<2,知α2<4,β2<4,故最后不等式成立,从而原不等式得证。
例5-2-11? 证明:若a,b,c是三角形的三边,则
3(ab+bc+ca)≤(a+b+c)2<4(ab+bc+ca)
当且仅当三角形为正三角形时,左边取等号。
解? 左边不等式等价于
3(ab+bc+ca)≤a2+b2+c2+2(ab+bc+ca)
欲证此不等式成立,只须证
ab+bc+ca≤a2+b2+c2
即证
2(a2+b2+c2)-2(ab+bc+ca)≥0
左边配方即为
(a-b)2+(b-c)2+(c-a)2≥0
此不等式显然成立,当且仅当a=b=c,即三角形为正三角形时取等号。故左边不等式获证。
欲证右边不等式,仿上只须证
a2+b2+c2<2(ab+bc+ca)
从而只须证
(ab+ac-a2)+(ab+bc-b2)+(bc+ca-c2)>0
即证
a(b+c-a)+b(a+c-b)+c(b+a-c)>0
由于a,b,c是三角形的三边,此不等式显然成立,故右边不等式获证。
综上所述,原不等式得证。
例5-2-12? 设f(x)=x2+px+q(p,q∈R),证明:
(2)若|p|+|q|<1,则f(x)=0的两个根的绝对值都小于1。
解? 用反证法
但是,
|f(1)|+2|f(2)|+|f(3)|≥f(1)-2f(2)+f(3)
=(1+p+q)-2×(4+2p+q)+(9+3p+q)=2????????????????????????????????????????? (ii)
(i)与(ii)矛盾,故假设不成立,即原命题成立。
(2)假设f(x)=0的两根x1,x2的绝对值不都小于1,不妨设|x1|≥1,那么由韦达定理,有
|p|=|-(x1+x2)|=|x1+x2|≥|x1|-|x2|≥1-|x2|
|q|=|x1x2|=|x1|·|x2|≥|x2|
两式分边相加,得
|p|+|q|≥1
这与题设矛盾,故假设不成立,即原命题得证。
注? 反证法的逻辑程序是:否定结论→推出矛盾→肯定结论。反证法常用于直接证明难于入手的命题,或结论中含“不存在”、“都是”、“都不是”、“至少”、“至多”、之类的存在性命题。
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