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算术-几何平均值不等式
信息来源:维基百科
在数学中,算术-几何平均值不等式是一个常见而基本的不等式,表现了两类平均数:算术平均数和几何平均数之间恒定的不等关系。设为个正实
数,它们的算术平均数是,它们的几何平均数是。算术-几何平均值不等式表明,对任意的正实数
,总有:
等号成立当且仅当。
算术-几何平均值不等式仅适用于正实数,是对数函数之凹性的体现,在数学、自然科学、工程科学以及经济学等其它学科都有应用。
算术-几何平均值不等式经常被简称为平均值不等式(或均值不等式),尽管后者是一组包括它的不等式的合称。
例子
在的情况,设:,那么
.可见。
历史上的证明
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历史上,算术-几何平均值不等式拥有众多证明。的情况很早就为人所知,但对于一般的,不等式并不容易证明。1729年,英国数学家麦克劳林最早给出
了一般情况的证明,用的是调整法,然而这个证明并不严谨,是错误的。
柯西的证明
[1]
1821年,法国数学家柯西在他的著作《分析教程》中给出了一个使用逆向归纳法的证明:
命题:对任意的个正实数,
当时,显然成立。假设成立,那么成立。证明:对于个正实数,
假设成立,那么成立。证明:对于个正实数,设,,
那么由于成立,。
但是,,因此上式正好变成
也就是说
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综上可以得到结论:对任意的自然数,命题都成立。这是因为由前两条可以得到:对任意的自然数,命题都成立。因此对任意的,
可以先找使得,再结合第三条就可以得到命题成立了。
归纳法的证明
[2]
使用常规数学归纳法的证明则有乔治·克里斯托(GeorgeChrystal)在其著作《代数论》(algebra)的第二卷中给出的:
由对称性不妨设是中最大的,由于,设,则,并且
有。
根据二项式定理,
于是完成了从到的证明。
[3]
此外还有更简洁的归纳法证明:
在的情况下有不等式和成立,于是:
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所以
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