Доказать справедливость неравенства примеры. Методы доказательства неравенств

Редкая олимпиада обходится без задач, в которых требуется доказать некоторое неравенство. Алгебраические неравенства доказываются с помощью различных методов, которые основываются на равносильных преобразованиях и свойствах числовых неравенств:

1) если a – b > 0, то a > b; если a – b

2) если a > b, то b a;

3) если a

4) если a

5) если a 0, то ac

6) если a bc; a / c > b / c ;

7) если a 1

8) если 0

Напомним некоторые опорные неравенства, которые часто используются для доказательства других неравенств:

1) а 2 > 0;

2) aх 2 + bx + c > 0, при а > 0, b 2 – 4ac

3) x + 1 / x > 2, при х > 0, и x + 1 / x –2, при х

4) |a + b| |a| + |b|, |a – b| > |a| – |b|;

5) если a > b > 0, то 1 / a

6) если a > b > 0 и х > 0, то a x > b x , в частности, для натурального n > 2

a 2 > b 2 и n √ a > n √b ;

7) если a > b > 0 и х

8) если х > 0, то sin x

Многие задачи олимпиадного уровня, и это не только неравенства, эффективно решаются с помощью некоторых специальных неравенств, с которыми учащиеся школы часто не бывают знакомы. К ним, прежде всего, следует отнести:

• неравенство между средним арифметическим и средним геометрическим положительных чисел (неравенство Коши):

• неравенство Бернулли:

(1 + α) n ≥ 1 + nα, где α > -1, n – натуральное число;

• неравенство Коши – Буняковского:

(a 1 b 1 + a 2 b 2 + . . . + a n b n) 2 ≤ (a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2)(b 1 2 + b 2 2 + . . . + b n 2);

К наиболее «популярным» методам доказательства неравенств можно отнести:

• доказательство неравенств на основе определения;
• метод выделения квадратов;
• метод последовательных оценок;
• метод математической индукции;
• использование специальных и классических неравенств;
• использование элементов математического анализа;
• использование геометрических соображений;
• идея усиления и др.

Задачи с решениями

1. Доказать неравенство:

а) a 2 + b 2 + c 2 + 3 > 2 · (a + b + c);

б) a 2 + b 2 + 1 > ab + a + b;

в) x 5 + y 5 – x 4 y – x 4 y > 0 при x > 0, y > 0.

а) Имеем

a 2 + b 2 + c 2 + 1 + 1 + 1 – 2a – 2b – 2c = (a – 1) 2 + (b – 1) 2 + (c – 1) 2 > 0,

что очевидно.

б) Доказываемое неравенство после умножения обеих частей на 2 принимает вид

2a 2 + 2b 2 + 2 > 2ab + 2a + 2b,

или

(a 2 – 2ab + b 2) + (a 2 – 2a + 1) + (b 2 – 2b +1) > 0,

или

(a – b) 2 + (a – 1) 2 + (b – 1) 2 > 0,

что очевидно. Равенство имеет место лишь при a = b = 1.

в) Имеем

x 5 + y 5 – x 4 y – x 4 y = x 5 – x 4 y – (x 4 y – y 5) = x 4 (x – y) – y 4 (x – y) =

= (x – y) (x 4 – y 4) = (x – y) (x – y) (x + y) (x 2 + y 2) = (x – y) 2 (x + y) (x 2 + y 2) > 0.

2. Доказать неравенство:

а)	a	+	b		>	2 при a > 0, b > 0;
	b		a

б)	Р	+	Р	+	Р		> 9, где a, b, c – стороны и P – периметр треугольника;
	a		b		c

в) ab(a + b – 2c) + bc(b + c – 2a) + ac(a + c – 2b) > 0, где a > 0, b > 0, c > 0.

а) Имеем:

a	+	b	– 2 =	a 2 + b 2 – 2ab	=	(a – b) 2		> 0.
b		a		ab		ab

б ) Доказательство данного неравенства элементарно следует из следующей оценки:

b + c	+	a + c	+	a + b	=
a		b		c

=

b

+

c

+

a

+

c

+

a

+

b

=

a

a

b

b

c

c

= (

b

+

a

) + (

c

+

a

) + (

c

+

b

) > 6,

a

b

a

c

b

c

Равенство достигается для равностороннего треугольника.

в) Имеем:

ab(a + b – 2c) + bc(b + c – 2a) + ac(a + c – 2b) =

= abc (

a

+

b

– 2 +

b

+

c

– 2 +

a

+

c

– 2 ) =

c

c

a

a

b

b

= abc ((

a

+

b

– 2) + (

a

+

c

– 2) + (

b

+

c

– 2) ) > 0,

b

a

c

a

c

b

так как сумма двух положительных взаимно обратных чисел больше или равна 2.

3. Доказать, что если a + b = 1, то имеет место неравенство a 8 + b 8 > 1 / 128 .

Из условия, что a + b = 1, следует, что

a 2 + 2ab + b 2 = 1.

Сложим это равенство с очевидным неравенством

a 2 – 2ab + b 2 > 0.

Получим:

2a 2 + 2b 2 > 1, или 4a 4 + 8a 2 b 2 + 4b 2 > 1.

4a 4 – 8a 2 b 2 + 4b 2 > 0,

получим:

8a 4 + 8b 4 > 1, откуда 64a 8 + 128a 4 b 4 + 64b 4 > 1.

Сложив это неравенство с очевидным неравенством

64a 8 – 128a 4 b 4 + 64b 4 > 0,

получим:

128a 8 + 128 b 8 > 1 или a 8 + b 8 > 1 / 128 .

4. Что больше е е · π π или е 2 π ?

Рассмотрим функцию f(x) = x – π · ln x . Поскольку f’(x) = 1 – π / х , и слева от точки х = π f’(x) 0, а справа - f’(x) > 0, то f(x) имеет наименьшее значение в точке х = π . Таким образом f(е) > f(π) , то есть

е – π · ln е = е – π > π – π · ln π

или

е + π · ln π > 2π .

Отсюда получаем, что

е е + π · ln π > е 2 π ,

е е · е π · ln π > е 2 π ,

е е · π π > е 2 π .

5. Доказать, что

lg (n + 1) >	lg 1 + lg 2 + . . . + lg n	.
	n

Используя свойства логарифмов, нетрудно свести данное неравенство к равносильному неравенству:

(n + 1) n > n!,

где n! = 1 · 2 · 3 · . . . · n (n-факториал). Кроме того имеет место система очевидных неравенств:

n + 1 > 1,

n + 1 > 2,

n + 1 > 3,

. . . . .

n + 1 > n,

после почленного умножения которых, непосредственно получаем, что (n + 1) n > n!.

6. Доказать, что 2013 2015 · 2015 2013

Имеем:

2013 2015 · 2015 2013 = 2013 2 · 2013 2013 · 2015 2013 =

2013 2 · (2014 – 1) 2013 · (2014 + 1) 2013

Очевидно, так же можно получить общее утверждение: для любого натурального n выполняется неравенство

(n – 1) n +1 (n + 1) n –1

7. Докажите, что для любого натурального числа n выполняется неравенство:

1	+	1	+	1	+ . . . +	1		2n – 1	.
1!		2!		3!		n!		n

Оценим левую часть неравенства:

1	+	1	+	1	+ . . . +	1	=
1!		2!		3!		n!

= 1 +	1	+	1	+	1	+ . . . +	1
	1 · 2		1 · 2 · 3		1 · 2 · 3 · 4		1 · 2 · 3 · . . . · n

1 +	1	+	1	+	1	+ . . . +	1	=
	1 · 2		2 · 3		3 · 4		(n – 1) · n

= 1 + (1 –	1	) + (	1	–	1	) + (	1	–	1	) + . . . + (	1	–	1	) = 2 –	1	,
	2		2		3		3		4		n – 1		n		n

что и требовалось доказать.

8. Пусть а 1 2 , а 2 2 , а 3 2 , . . . , а n 2 – квадраты n различных натуральных чисел. Докажите, что

(1 –	1	) (1	–	1	) (1	–	1	) . . . (1	–	1	) >	1	.
	а 1 2			а 2 2			а 3 2			а n 2		2

Пусть наибольшее из этих чисел равно m. Тогда

(1 –	1	) (1	–	1	) (1	–	1	) . . . (1	–	1	) >
	а 1 2			а 2 2			а 3 2			а n 2

> (1 –	1	) (1	–	1	) (1	–	1	) . . . (1	–	1	) ,
	2 2			3 2			4 2			m 2

так как в правую часть добавлены множители, меньшие 1. Вычислим правую часть, разложив каждую скобку на множители:

=	2 · 3 2 · 4 2 · . . . · (m – 1) 2 · (m + 1)	=	m + 1	=	1	+	1	>	1	.
	2 2 · 3 2 · 4 2 · . . . · m 2 Раскрыв в левой части скобки, получим сумму 1 + (a 1 + . . . + a n) + (a 1 a 2 + . . . + a n –1 a n) + (a 1 a 2 a 3 + . . . + a n –2 a n –1 a n) + . . . + a 1 a 2 . . . a n . Сумма чисел во второй скобке не превосходит (a 1 + . . . + a n) 2 , сумма в третьей скобке не превосходит (a 1 + . . . + a n) 3 , и так далее. Значит, все произведение не превосходит 1 + 1 / 2 + 1 / 4 + 1 / 8 + . . . + 1 / 2 n = 2 – 1 / 2 n Способ 2. Методом математической индукции докажем, что для всех натуральных n верно неравенство: (1 + a 1) . . . (1 + a n) При n = 1 имеем: 1 + a 1 1 . Пусть при n = k имеет место: (1 + a 1 ) . . . (1 + a k ) 1 + . . . + a k ). Рассмотрим случай n = k +1: (1 + a 1 ) . . . (1 + a k )(1 + a k +1 ) (1 + 2(a 1 + . . . + a k ))(1 + a k +1 ) ≤ 1 + 2(a 1 + . . . + a k ) + a k +1 (1 + 2 · 1 / 2) = 1 + 2(a 1 + . . . + a k + a k +1 ). В силу принципа математической индукции неравенство доказано. 10. Доказать неравенство Бернулли: (1 + α) n ≥ 1 + nα, где α > -1, n – натуральное число. Воспользуемся методом математической индукции. При n = 1 получаем истинное неравенство: 1 + α ≥ 1 + α. Предположим, что имеет место неравенство: (1 + α) n ≥ 1 + nα. Покажем, что тогда имеет место и (1 + α) n + 1 ≥ 1 + (n + 1)α. Действительно, поскольку α > –1 влечет α + 1 > 0, то умножая обе части неравенства (1 + α) n ≥ 1 + nα на (a + 1), получим (1 + α) n (1 + α) ≥ (1 + nα)(1 + α) или (1 + α) n + 1 ≥ 1 + (n + 1)α + nα 2 Поскольку nα 2 ≥ 0, следовательно, (1 + α) n + 1 ≥ 1 + (n + 1)α + nα 2 ≥ 1 + (n + 1)α. Таким образом, согласно принципу математической индукции, неравенство Бернулли справедливо. Задачи без решений 1. Доказать неравенство для положительных значений переменных a 2 b 2 + b 2 c 2 + a 2 c 2 ≥ abc(a + b + c). 2. Доказать, что при любом a имеет место неравенство 3(1 + a 2 + a 4) ≥ (1 + a + a 2) 2 . 3. Доказать, что многочлен x 12 – x 9 + x 4 – x + 1 при всех значениях x положителен. 4. Для 0 e доказать неравенство (e + x) e – x > (e – x) e + x . 5. Пусть a, b ,c – положительные числа. Докажите, что a + b + b + c + a + c ≤ 1 + 1 +

МОУ Гришино -Слободская средняя общеобразовательная школа

Программа модуля

« Методы доказательства неравенств»

в рамках элективного курса

«За страницами учебника математики»

для учащихся 10-11 классов

Составил:

учитель математики

Панкова Е.Ю

Пояснительная записка

«Математику называют тавтологической наукой: другими словами, про математиков говорят, что они тратят время на доказательство того, что предметы равны самим себе. Это утверждение весьма неточно по двум причинам. Во-первых, математика, несмотря на свойственный ей научный язык, не является наукой; скорее ее можно назвать искусством. Во- вторых основные результаты математики чаще выражаются неравенствами, а не равенствами.»

Неравенства используются в практической работе математика постоянно. Они применяются для получения ряда интересных и важных экстремальных свойств «симметричных» фигур: квадрата, куба, равностороннего треугольника, а также для доказательства сходимости итерационных процессов и вычисления некоторых пределов. Важна роль неравенств и в различных вопросах естествознания и техники.

Задачи на доказательство неравенств самые трудные и интересные из традиционных. Доказательства неравенств требуют истинной изобретательности, творчества, которые делают математику тем захватывающим воображение предметом, каким она является.

Обучение доказательствам играет большую роль в развитии дедуктивно- математического мышления и общих мыслительных способностей учащихся. Как же научить школьников самостоятельно проводить доказательства неравенств? Ответ гласит: только путем рассмотрения многих приемов и методов доказательств и регулярного их применения.

Применяемые для доказательства неравенств идеи почти столь же разнообразны, как и сами неравенства. В конкретных ситуациях общие методы часто приводят к некрасивым решениям. Но неочевидное комбинирование нескольких «базовых» неравенств удается лишь немногим школьникам. И, кроме того, ничто не мешает ученику в каждом конкретном случае поискать лучшее решение, нежели полученное общим методом. По этой причине доказательства неравенств нередко относят к области искусства. И как во всяком искусстве здесь есть свои технические приемы, набор которых весьма широк и овладеть всеми очень сложно, но каждый учитель должен стремится к расширению имеющегося в его запасе математического инструмента.

Данный модуль рекомендуется для учащихся 10-11 классов. Здесь рассматриваются не все возможные методы доказательства неравенств (не затронуты метод замены переменной, доказательство неравенств с помощью производной, метод исследования и обобщения, прием упорядочения). Предложить рассмотреть остальные методы можно на втором этапе (например, в 11 классе), если данный модуль курса вызовет интерес у учащихся, а также ориентируясь на успехи усвоения первой части курса.

		Уравнения и неравенства с параметром.
		Методы доказательства неравенств.
		Уравнения и неравенства, содержащие неизвестное под знаком модуля.
		Системы неравенств с двумя переменными.

«За страницами учебника математики»

«Методы доказательства неравенств»

		Введение.
		Доказательство неравенств на основании определения.
		Метод математической индукции.
		Применение классических неравенств.
		Графический метод.
		Метод от противного.
		Прием рассмотрения неравенств относительно одной из переменных.
		Идея усиления.
		Урок - контроль.

Урок1. Введение.

Доказательство неравенств -увлекательная и непростая тема элементарной математики. Отсутствие единого подхода к проблеме доказательства неравенств, приводит к поиску ряда приемов, пригодных для доказательства неравенств определенных видов. На данном элективном курсе будут рассматриваться следующие методы доказательства неравенств:

Повторение:

Провести доказательства некоторых свойств.

Классические неравенства:

1)
(неравенство Коши)

2)

3)

4)

Историческая справка:

Неравенство (1) называют в честь французского математика Огюста Коши. Число
называют средним арифметическим чисел a и b;

число
называют средним геометрическим чисел a и b. Таким образом, неравенство означает, что среднее арифметическое двух положительных чисел не меньше их среднего геометрического.

Дополнительно:

Рассмотреть несколько математических софизмов с неравенствами.

Математический софизм - удивительное утверждение, в доказательстве которого кроются незаметные, а подчас и довольно тонкие ошибки.

Софизмы – это ложные результаты, полученные с помощью рассуждений, которые только кажутся правильными, но обязательно содержат ту или иную ошибку.

Пример:

Четыре больше двенадцати

Урок2.Доказательство неравенств на основании определения.

Суть этого метода заключается в следующем: для того чтобы установить справедливость неравенства F(x,y,z)>S(x,y,z) составляют разность F(x,y,z)-S(x,y,z) и доказывают, что она положительна. Применяя этот метод, часто выделяют квадрат, куб суммы или разности, неполный квадрат суммы или разности. Это помогает определить знак разности.

Пример. Доказать неравенство (x+y)(x+y+2cosx)+2 2sin 2 x

Доказательство:

Рассмотрим разность (x+y)(x+y+2cosx)+2- 2sin 2 x =(x+y)(x+y+2cosx)+2cos 2 x=(x+y)(x+y+2cosx)+ cos 2 x +cos 2 x= (x+y) 2 +2(x+y)cosx+ cos 2 x +cos 2 x=((x+y)+cosx) 2 + cos 2 x 0.

Доказать неравенство:

1.ab(a+b)+bc(b+c)+ac(a+c) 6abc

3.

4.
>2x-20

5.

6.(a+b)(b+c)(c+a) 8abc

7.

Урок3.Метод математической индукции.

При доказательстве неравенств, в которые входят натуральные числа часто прибегают к методу математической индукции. Метод состоит в следующем:

1) проверяем истинность теоремы для n=1;

2)допускаем, что теорема верна для некоторого n=k, и исходя из этого допущения доказываем истинность теоремы для n=k+1;

3) на основании первых двух шагов и принципа математической индукции заключаем, что теорема верна для любого n.

Пример.

Доказать неравенство

Доказательство:

1) при n=2 неравенство верно:

2)Пусть неравенство верно для n=k т.е.
(*)

Докажем, что неравенство верно при n=k+1, т.е.
. Умножим обе части неравенства (*) на
получим 3)Из п1.и п.2 делаем вывод, что неравенство верно для любого n.

Задания для работы в классе и дома

Доказать неравенство:

1)

2)

3)

4)

5)

6)
.

Урок4. Применение классических неравенств.

Суть этого метода заключается в следующем: с помощью ряда преобразований выводят требуемое неравенство с помощью некоторых классических неравенств.

Пример.

Доказать неравенство:

Доказательство:

В качестве опорного неравенства используем
.

Приведем данное неравенство к следующему виду:

, тогда

Но =
, тогда

Доказать неравенство:

1)(p+2)(q+2)(p+q)16pq(для док-ва используется неравенство
)

2)
(для док-ва используется неравенство )

3) (a+b)(b+c)(c+a) 8abc (для док-ва используется неравенство )

4)
(для док-ва используется неравенство ).

Урок5. Графический метод.

Доказательство неравенств графическим методом заключается в следующем: если доказываем неравенство f(x)>g(x)(f(x)

1) построить графики функций y=f(x) и y=g(x);

2)если график функции y=f(x) расположен выше (ниже) графика функции y=g(x), то доказываемое неравенство верно.

Пример.

Доказать неравенство:

cosx
,x0

Доказательство:

Построим в одной системе координат графики функций y=cosx и

Из графика видно, что при x0 график функции y=cosx лежит выше графика функции y= .

Задания для работы в классе и дома.

Доказать неравенство:

1)

3)ln(1+x)0

4)
.

5)

Урок6.Метод от противного

Суть этого метода заключается в следующем: пусть нужно доказать истинность неравенства F(x,y,z) S(x,y,z)(1). Предполагают противное, т. е что хотя бы для одного набора переменных справедливо неравенство F(x,y,z) S(x,y,z) (2). Используя свойства неравенств, выполняют преобразования неравенства (2). Если в результате этих преобразований получается ложное неравенство, то это означает, что предположение о справедливости неравенства (2) неверно, а потому верно неравенство (1).

Пример.

Доказать неравенство:

Доказательство:

Предположим противное, т. е .

Возведем обе части неравенства в квадрат, получим , откуда
и далее

. Но это противоречит неравенству Коши. Значит наше предположение неверно, т. е справедливо неравенство

Задания для работы в классе и дома.

Доказать неравенство:

Урок7. Прием рассмотрения неравенств относительно одной из переменных.

Суть метода заключается в рассмотрении неравенства и его решения относительно одной переменной.

Пример.

Доказать неравенство:

Пример.

Доказать неравенство:

Доказательство:

Задания для работы в классе и дома.

Доказать неравенство:

1)

2)

3)

Урок9. Урок- контроль знаний учащихся.

Работу на этом уроке можно организовать в парах или если большая численность класса в группах. В конце урока каждый учащийся должен быть оценен. Это и есть зачетная форма по данному курсу. По данной теме не рекомендуется проводить контрольную работу т.к. доказательство неравенств, как это уже говорилось в пояснительной записке, относят к области искусства. В начале учащимся предлагается самим определить метод доказательства предложенных неравенств. Если же у учащихся возникнут затруднения, то учитель сообщаем им рациональный метод, предупредив группу, что это, конечно же, повлияет на их оценку.

методы доказательство неравенств . Это метод доказательства неравенств с помощью введения вспомогательных функций...

Элективный курс по математике неравенства методы доказательств

Элективный курс

Не знакомы, различные методы доказательства неравенств , а также применение неравенств неравенств с помощью метода метод для доказательства неравенств , решать задачи...

Элективный курс по математике Неравенства Методы доказательств Пояснительная записка

Элективный курс

Не знакомы, различные методы доказательства неравенств , а также применение неравенств при решении задач различного... Уметь: проводить оценку неравенств с помощью метода Штурма, применять рассмотренный метод для доказательства неравенств , решать задачи...

Элективный курс по математике Неравенства Методы доказательств Пояснительная записка (1)

Элективный курс

Не знакомы, различные методы доказательства неравенств , а также применение неравенств при решении задач различного... Уметь: проводить оценку неравенств с помощью метода Штурма, применять рассмотренный метод для доказательства неравенств , решать задачи...

Учебное заведение: МОУ Лицей№1 г.Комсомольск-на-Амуре

Руководитель: Будлянская Наталья Леонидовна

Если вы хотите участвовать в большой жизни, то наполняйте свою голову математикой, пока есть к тому возможность. Она окажет вам потом огромную помощь во всей вашей работе. (М.И. Калинин)

Представление левой части неравенства в виде суммы неотрицательных слагаемых (правая часть равна 0) с использованием тождеств.

Пример 1 . Доказать что для любого хϵR

Доказательство. 1 способ .

2 способ .

для квадратичной функции

что означает её положительность при любом действительном х .

Пример 2 . Доказать, что для любых x и y

Доказательство.

Пример 3 . Доказать, что

Доказательство.

Пример 4 . Доказать, что для любых a и b

Доказательство.

2. Метод от противного

Вот хороший пример применения данного метода.

Доказать, что для a, b ϵ R.

Доказательство.

Предположим, что.

Но,что явно доказывает, что наше предположение неверно.

Ч.Т.Д.

Пример 5 . Доказать, что для любых чисел А,В,С справедливо неравенство

Доказательство. Очевидно, что данное неравенство достаточно установить для неотрицательных А, В и С, так как будем иметь следующее отношения:

, что является обоснованием исходного неравенства.

Пусть теперь нашлись такие неотрицательные числа А, В и С , для которых выполняется неравенство

, что невозможно ни при каких действительных А,В и С . Сделанное выше предположение опровергнуто, что доказывает исследуемое исходное неравенство.

Использование свойств квадратного трехчлена

Метод основан на свойстве неотрицательности квадратного трехчлена, если

и.

Пример 6 . Доказать, что

Доказательство.

Пусть, a=2, 2>0

=>

Пример 7 . Доказать, что для любых действительных х и у имеет место быть неравенство

Доказательство. Рассмотрим левую часть неравенство как квадратный трехчлен относительно х:

, а>0, D

D= => P(x)>0 и

верно при любых действительных значениях х и у.

Пример 8 . Доказать, что

для любых действительных значениях х и у.

Доказательство. Пусть ,

Это означает, что для любых действительных у и неравенство

выполняется при любых действительных х и у.

Метод введения новых переменных или метод подстановки

Пример 9 . Доказать, что для любых неотрицательных чисел х, у, z

Доказательство. Воспользуемся верным неравенством для,

.

Получаем исследуемое неравенство

Использование свойств функций.

Пример 10 . Докажем неравенство

для любых а и b.

Доказательство. Рассмотрим 2 случая:

• Если а=b,то верно

причем равенство достигается только при а=b=0.

2)Если

, на R =>

()* ()>0, что доказывает неравенство

Пример 11 . Докажем, что для любых

Доказательство.

на R.

Если, то знаки чисел и совпадают, что означает положительность исследуемой разности =>

Применение метода математической индукции

Данный метод применяется для доказательства неравенств относительно натуральных чисел.

Пример 12 . Доказать, что для любого nϵN

• Проверим истинность утверждения при

- (верно)

2) Предположим верность утверждения при

(k>1)

3) Докажем истинность утверждения при n=k+1.

Сравним и: ,

Имеем:

Вывод: утверждение верно для любого nϵN.

Использование замечательных неравенств

• Теорема о средних (неравенство Коши)

• Неравенство Коши – Буняковского

• Неравенство Бернулли

Рассмотрим каждое из перечисленных неравенств в отдельности.

Применение теоремы о средних (неравенства Коши)

Среднее арифметическое нескольких неотрицательных чисел больше или равно их среднего геометрического

, где

Знак равенства достигается тогда и только тогда, когда

Рассмотрим частные случаи этой теоремы:

• Пусть n=2, тогда

• Пусть n=2, a>0, тогда

• Пусть n=3, тогда

Пример 13 . Доказать, что для всех неотрицательных a,b,c выполняется неравенство

Доказательство.

Неравенство Коши - Буняковского

Неравенство Коши - Буняковского утверждает, что для любых; справедливо соотношение

Доказанное неравенство имеет геометрическую интерпретацию. Для n=2,3 оно выражает известный факт, что скалярное произведение двух векторов на плоскости и в пространстве не превосходит произведение их длин. Для n=2 неравенство имеет вид: . Для n=3 получим

Пример 14.

Доказательство. Запишем исследуемое неравенство в следующем виде:

Это заведомо истинное неравенство, так как является частным случаем неравенства Коши – Буняковского.

Пример 15. Доказать, что для любых a,b,c ϵ R справедливо неравенство

Доказательство. Достаточно записать данное неравенство в виде

и сослаться на неравенство Коши – Буняковского.

Неравенство Бернулли

Неравенство Бернулли утверждает, что если х>-1, то для всех натуральных значений n выполняется неравенство

Неравенство может применяться для выражений вида

Кроме того, очень большая группа неравенств может быть легко доказана с помощью теоремы Бернулли.

Пример 16 .

Доказательство. Положив х=0,5 и применив теорему Бернулли для выражения

Получим требуемое неравенство.

Пример 17 . Доказать, что для любых n ϵ N

Доказательство.

по теореме Бернулли, что и требовалось.

Давида Гильберта спросили об одном из его бывших учеников. "А, такой-то? - вспомнил Гильберт. - Он стал поэтом. Для математики у него было слишком мало воображения.

Здесь вводится алгебраическая трактовка соотношений “больше” и “меньше”, которая иллюстрируется на координатной прямой, и рассматривается ее применение для доказательства неравенств. Здесь же учащимся демонстрируется, как алгебраически можно доказать изученные в главе свойства неравенств, ранее они были обоснованы геометрически.

Доказательство неравенств - это довольно трудный для учащихся материал, поэтому в зависимости от уровня подготовки класса его следует рассматривать с разной степенью полноты.

Особенность задач на доказательство неравенств - возможность их решения различными способами. Поэтому целесообразно показать несколько вариантов доказательства неравенств, чтобы расширить возможности учащихся при решении задач.

Предлагаются два основных пути доказательства неравенств:

• 1) на основе составления разности правой и левой частей неравенства и последующего сравнения этой разности с нулем;
• 2) переход от одного неравенства к другому, ему равносильному, на основе свойств неравенств.

Оба пути равноправны. Но нужно следить за аккуратностью записей в том и другом случае. Учащимся необходимо разъяснить, что если выбран первый путь решения, то после составления разности выполняются преобразования этого выражения, которые можно записать в виде цепочки со знаком “=”. Полученное в итоге выражение сравнивается с нулем и, на основе этого делается заключение об исходном неравенстве. Если же выбран второй путь, то записывается последовательность равносильных неравенств (как при решении неравенства), и о последнем из них делается заключение - верно оно или нет. Вот как может, например, выглядеть оформление решения упраженения в том и в другом случае.

Доказать неравенство а2 + b2 + 2 2 (а + b) .

Составим разность Перенесем 2 (а + b) в левую

левой и правой частей часть неравенства:

неравенства: а2 + b2 + 2 - 2 (а + b) 0;

а2 + b2 + 2 - 2 (а + b) =а2 + b2 + 2 2а - 2b 0;

А2 + b2 + 2 - 2а - 2b == (а2 - 2а + 1) +

= (а2 - 2а + 1) ++ (b2 - 2b + 1) 0;

+ (b2 - 2b + 1) =(а - 1)2 + (b - 1)2 0 -

= (а - 1)2 + (b - 1)2 .верно, следовательно,

(а - 1)2 + (b - 1)2 0,верно и исходное неравенство:

следовательно, а2 + b2 + 2 2 (а + b) .

неравенство доказано:

а2 + b2 + 2 2 (а + b) .

Заметим, что в «Обязательный минимум содержания» доказательство неравенств не входит. Поэтому соответствующие умения могут рассматриваться как результат усвоения темы, но не как итоговый результат обучения. В связи с этим задания на доказательство неравенств не включаются в экзамен, не следует включать их и в иные итоговые проверки.

Докажите, что для положительных чисел p и q: p4 + q4 p3q + pq3.

Решение. Преобразуем разность

p4 + q4 - (p3q + pq3).

p4 + q4 - p3q - pq3 = p3 (p - q) + а3 (q - p) =

= (p - q) (p3 - q3) = (p - q)2 (p2 + pq + q2).

Так как p 0, q 0, то pq 0, p2 + pq + q2 0, кроме того, (p - q)2 0.

Произведение неотрицательного и положительного чисел - неотрицательно, т.е. рассматриваемая разность больше или равна нулю. Следовательно, при p 0, q 0 p4 + q4 p3q + pq3.

Докажите разными способами, что если a b 0, то а2 + а b2 + b.

Решение. При доказательстве неравенства вторым способом,

воспользуемся неравенством, доказанным в примере: если а и b - положительные числа и а b, то а2 b2. А потом, почленно сложив неравенство а2 b2 и неравенство а b, получим требуемое.

3. В каком случае турист пройдет одно и то же расстояние быстрее: если он будет идти по горизонтальной дороге с постоянной скоростью или же если половину пути он будет идти в гору со скоростью, на 1 км/ч меньшей, чем его скорость по горизонтальной дороге, а половину пцти - с горы со скоростью, на 1 км/ч большей, чем по горизонтальной дороге?

Решение. Обозначим скорость туриста по горизонтальной дороге буквой х, а расстояние примем за 1. Задача сводится к сравнению выражений

1 и ___1___ + ___1___

х 2(х-1) 2(х+1).

Составим их разность и преобразовав ее, получим, что

а это означает, что при таких условиях время движения по горизонтальной дороге меньше, чем по дороге с подъемом и спуском.

На семинаре координаторов олимпиады "Кенгуру" Вячеслав Андреевич Ясинский прочёл лекцию о том, как можно доказывать олимпиадные симметричные неравенства с помощью собственного метода разностей переменных.

Действительно, на математических олимпиадах часто встречаются задания на доказательство неравенств, как, например, такое, с Международной олимпиады по математике 2001 года: $\frac{a}{\sqrt{a^2+8bc}}+\frac{b}{\sqrt{b^2+8ac}}+\frac{c}{\sqrt{c^2+8ab}}\geq 1$ (для положительных a,b,c).

Обычно чтобы доказать олимпиадное неравенство, его нужно привести к одному из базовых: Коши, Коши-Буняковского, Йенсена, неравенству между средними и т.д. Причём часто приходится пробовать различные варианты базового неравенства до достижения успеха.

Однако часто у олимпиадных неравенств (как у приведённого выше) есть одна особенность. При перестановке переменных (например, замене a на b, b на c и c на a) они не изменятся.

Если функция нескольких переменных не меняется при любой их перестановке, то она называется симметрической. Для симметрической функции f от трёх переменных выполняется равенство:
f (x ,y ,z )= f (x ,z ,y )= f (y ,x ,z )= f (y ,z ,x )= f (z ,x ,y )= f (z ,y ,x )

Если же функция не меняется только при циклической перестановке переменных, она называется циклической.
f (x,y,z)= f (y,z,x)= f (z,x,y)

Для неравенств, которые строятся на основе симметрических функций, Вячеслав Андреевич разработал универсальный метод доказательства.
Метод состоит из следующих шагов.
1. Преобразовать неравенство так, чтобы слева оказался симметрический многочлен (обозначим его D), а справа 0.

2. Выразить симметрический многочлен D от переменных a, b, c через базовые симметрические многочлены.

Базовых симметрических многочленов от трёх переменных существует три. Это:
p = a+b+c - сумма;
q = ab+bc+ac - сумма попарных произведений;
r = abc - произведение.

Любой симметрический многочлен можно выразить через базовые.

3. Поскольку многочлен D симметрический, можно, не нарушая общности, считать, что переменные a, b, c упорядочены так: $a\geq b\geq c$

4. Вводим два неотрицательных числа х и у, таки, что x = a-b, y = b-c.

5. Снова преобразовываем многочлен D, выражая p, q и r через c и x, y. Учитываем, что
b = y+c
a = (x+y)+c

Тогда
p = a+b+c = (x+2y)+3c
q = ab+bc+ac = 3c 2 +2(x+2y)c+(x+y)y
r = abc = (x+y)yc + (x+2y)c 2 +c 3

Обратите внимание, что скобки в выражениях, содержащих x и y, мы не раскрываем.

6. Теперь рассматриваем многочлен D как многочен от с с коэффициентами, выражающимися через х и у. Учитывая неотрицательность коэффициентов оказывается несложно показать, что знак неравенства будет сохраняться для всех допустимых значений с.

Поясним этот метод на примерах.
Пример 1 . Доказать неравенство:
$(a+b+c)^2\geq 3(ab+bc+ac)$

Доказательство
Так как неравенство симметрическое (не меняется при любой перестановке переменных a, b, c), то представим его как
$(a+b+c)^2 - 3(ab+bc+ac)\geq 0$

Выразим многочлен в левой части через базовые симметрические:
$p^2 - 3q\geq 0$

Так как многочлен симметрический, можно считать, не ограничивая общности, что $a\geq b\geq c$ и $x = a-b\geq 0$, $y = b-c\geq 0$.

p 2 -3q = ((x+2y)+3c) 2 -3(3c 2 +2(x+2y)c+(x+y)y) = (x+2y) 2 +6(x+2y)c+9c 2 -9c 2 -6(x+2y)c-3(x+y)y

После приведения подобных получаем неравенство вообще не содержащее переменную с
$(x+2y)^2-3(x+y)y\geq 0$

Вот теперь можно раскрыть скобки
$x^2+4xy+4y^2-3xy-3y^2\geq 0$
$x^2+xy+y^2\geq 0$ - что является верным как для нотрицательных x, y, так и для любых.

Таким образом, неравенство доказано.

Пример 2 (с Британской математической олимпиады 1999 года)
Доказать, что $7(ab+bc+ac)\leq 2+9abc$ (для положительных чисел, если a+b+c = 1)

Доказательство
Прежде чем начать сводить всё в левую часть, обратим внимание, что степени частей неравенства у нас не сбалансированы. Если в примере 1 обе части неравенства были многосленами второй степени, то тут многочлен второй степени сравнивается с суммой многочленов нулевой и третьей. Использлуем то, что сумма a+b+c по условию равна 1 и домножим левую часть на единицу, а двойку из правой части - на единицу в кубе.

$7(ab+bc+ac)(a+b+c)\leq 2(a+b+c)^3+9abc$

Теперь перенесём всё влево и представим левую часть как симметричный многочkен от a, b, c:
$7(ab+bc+ac)(a+b+c)- 2(a+b+c)^3-9abc\leq 0$

Выразим левую чаcть через базовые симметрические многочлены:
$7qp- 2p^3-9r\leq 0$

Выразим левую часть через x, y и c, представив её как многочлен относительно с.
7qp- 2p 3 -9r = 7(3c 2 +2(x+2y)c+(x+y)y)((x+2y)+3c)-2((x+2y)+3c) 3 -9((x+y)yc + (x+2y)c 2 +c 3) = 7 (3(x+2y)c 2 +2(x+2y) 2 c+(x+2y)(x+y)y+9c 3 +6(x+2y)c 2 +3(x+y)yс) - 2 ((x+2y) 3 +9(x+2y) 2 c+27(x+2y)c 2 +27c 3) - 9((x+y)yc + (x+2y)c 2 +c 3) = 21(x+2y)c 2 +14(x+2y) 2 c +7(x+2y)(x+y)y+63c 3 +42(x+2y)c 2 +21(x+y)yс -2(x+2y) 3 -18(x+2y) 2 c -54(x+2y)c 2 -54c 3 -9(x+y)yc -9(x+2y)c 2 -9c 3

Главное - аккуратно и внимательно выполнять преобразования. Как сказал Вячеслав Андреевич, если он выполняет преобразования и его кто-то отвлекает, он выбрасывает листок с формулами и начинает заново.

Для удобства сведения подобных в заключительном многочлене они выделены разными цветами.

Все слагаемые с c 3 уничтожатся: 63c 3 -54c 3 -9c 3 = 0
Это же произойдёт и со второй степенью с: 21(x+2y)c 2 +42(x+2y)c 2 -54(x+2y)c 2 -9(x+2y)c 2 = 0

Преобразуем слагаемые с первой степенью с: 14(x+2y) 2 c+21(x+y)yс-18(x+2y) 2 c-9(x+y)yc = -4(x+2y) 2 c+12(x+y)yс = (12 (x+y)y - 4 (x+2y) 2 )c = (12xy+12y 2 - 4x 2 -16xy-16 y 2 )c = (- 4x 2 -4xy-4 y 2 )c = -4 (x 2 +xy+ y 2 )c - это выражение никогда не будет положительным.

И свободные члены: 7(x+2y)(x+y)y-2(x+2y) 3 = 7(x+2y)(xy+y 2) - 2(x+2y)(x 2 +4xy+4y 2) = (x+2y) (7xy+7y 2 -2x 2 -8xy-8y 2) = - (x+2y)(2x 2 +xy+y 2) - и это выражение тоже.

Таким образом, исходное неравенство будет выполняться всегда, а в равенство оно превратится только при условии равенства a=b=c.

На своей лекции Вячеслав Андреевич разобрал ещё много интересных примеров. Попробуйте и вы применить этот метод для доказательства олимпиадных неравенств. Возможно, он поможет добыть несокольо ценных баллов.