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数学竞赛中的不等式问题研究
朱华伟
(广州大学教育软件研究所,510006)
不等式在数学竞赛中占有很重要的地位。这些竞赛中的不等式各有难度,可以较好地区分出选手的水平,也能反映出选手的创造力。很多不等式无法搬用固定的陈法,必须自出机杼,并结合一些重要的不等式进行推理,给出或新颖或精妙的解法。笔者通过研究大量国内外数学竞赛中的不等式问题,有了一些心得与体会,并将这些不等式进行了分类研究,现整理如下:
平均不等式的应用
(1)算术-几何平均(AM-GM)不等式的应用
算术-几何平均值不等式设是非负实数,则例1对任意a,b,cR+,证明a2+2)(b2+2)(c2+2)≥ 9(ab+bc+ca) (2004年亚太地区数学奥林匹克)
证明:令,,。
则要证明:(a2+2)(b2+2)(c2+2)≥ 9(ab+bc+ca),等价于证明:
①
而
同理,
要证明式①,只需证明:
②
而又由均值不等式可得:
同理,
把上面三个不等式相加即得②式,从而①式成立。
故原不等式成立。
评注:本题的关键点有两个,第一个是第一步的代换,显然是由后面的分析得来的,这种整体代换的技巧需要引起注意。第二个是①、②两式的转化和证明,其中都用到了均值不等式对局部变量进行放缩,这要求对均值不等式有扎实的掌握。此外,用局部不等式证明轮换、对称型的不等式也是十分重要的技巧。
例2,,求证:
(2008年伊朗数学奥林匹克)
证明:而,
由均值不等式可得:
故
同理,
故原不等式成立。
评注:用均值不等式时的添项技巧是一种很重要的技巧,添项的原则是向结论靠拢(按需要去添),然后根据等号成立的条件去构造。
例3已知x、y、z都是正实数,且,求证:
(2007年摩尔多瓦数学奥林匹克)
证明:由均值不等式可得:
同理,,
要证明原不等式,只需证明:
而又由柯西不等式可得: ①
且 ②
则①②可得:
故原不等式成立。
评注:运用均值不等式添项构造局部不等式是重要技巧。比较例3和例4的添项技巧,可以看出两种方法所考虑的角度是不同的,也代表了基本的两种适合添项的类型。虽然添法不同,但最终的目的是向结论靠拢,所以请读者好好去揣摩。同时,均值不等式与柯西不等式联用也是要求熟练掌握的。
(2)幂平均不等式的应用
幂平均不等式:设,,则
例4已知a、b、c为非负实数,求证:
(2004年MOP试题)
解:由幂平均不等式得
故只需证明: ①
②
式②可由柯西不等式得到。
评注;本题用到了幂平均不等式,难点在于①后紧接着的那一步,这需要有十分明锐的观察力。
例5已知: ,且
求证:(2004年第45届IMO预选题)
解:∵,
同理:,
∴
由幂平均不等式可得:
∴
∴左边,又,
∴左边,即原不等式成立
评注:幂平均不等式在本例中的作用主要是“降次”(变次),要善于运用条件式右边的“1”与待证式中的“1”进行代换,从而达到齐次化的目的,这有利于解题。
总结:要解决不等式问题,首先要对几个基本的、常用的不等式十分熟练,关键是理解“透”。对于实际的问题,先要仔细观察题目,在还没有全盘把握的情况之下先找几个可能的突破口,在一个一个去尝试。注意要平时多做题积累题感,对典型题进行归纳,对特殊的题目、特殊的手法进行记忆,关键是理解透这样做的“动机”。再有就是通过归纳总结出来的“不等式基本型”,要能运用在实际的题中。注意做题时碰到难关时不要轻易去看答案,先琢磨一段时间。就算是看答案,也要先想想自己解题的瓶颈是何处,答案是如何解决的,为什么这么做,这些细节都要想清楚,做题要做得有价值,只要花时间做了,就要把它研究“透”,把其来龙去脉弄清楚,把其精华提取出来,再和别的相似的题目联系起来,进行比较推广。这样做好来,才是提高水平的关键。我想,以上的意见,无论是对解不等式题,还是解其它类型的题目,都是有益的。
对任意a,b,cR+,证明a2+2)(b2+2)(c2+2)≥ 9(ab+bc+ca)
由柯西不等式得:
所以,只要证明:(b2+2)(c2+2)≥3即可
等价于证明:
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