均值不等式的来龙去脉

wanghai0666 wanghai0666     2022-12-29     260

关键词:

均值不等式的来龙去脉

一、为什么叫均值不等式?

来自百度百科的说明,表达式(H_nleq G_nleq A_nleq Q_n)被称为均值不等式,即调和平均数不超过几何平均数,几何平均数不超过算术平均数,算术平均数不超过平方平均数,简记为“调几算方”。

已知对于(n)个实数(x_1,x_2,cdots,x_n)而言,

(H_n=cfracnsumlimits_k=1^ncfrac1x_k=cfracncfrac1x_1+cfrac1x_2+cdots+cfrac1x_n),被称为调和平均数;(G_n=sqrt[n]prodlimits_k=1^nx_k=sqrt[n]x_1x_2cdots x_n),被称为几何平均数;

(A_n=cfracsumlimits_k=1^nx_kn=cfracx_1+x_2+cdots+x_nn),被称为算术平均数;(Q_n=sqrtcfracsumlimits_k=1^nx^2_kn=sqrtcfracx^2_1+x^2_1+cdots+x^2_nn),被称为平方平均数;

由于上述不等式的四个部分,分别代表了(n)个实数的四种不同形式的(均值)平均数,所以经常被称作均值不等式。

在高中阶段,当(n=2)时,比如已知两个正实数(a,b),比照上面我们就有了:
(H_2=cfrac2cfrac1a+cfrac1b=cfrac2aba+b),称为两个正实数(a,b)的调和平均数;

(G_2=sqrtab),称为两个正实数(a,b)的几何平均数;

(A_2=cfraca+b2),称为两个正实数(a,b)的算术平均数;

(Q_2=sqrtcfraca^2+b^22),称为两个正实数(a,b)的平方平均数;

这样我们就得到了一个重要的不等式组: (box[10px,yellow,border:2px dashed red]cfrac2cfrac1a+cfrac1b= cfrac2aba+bleq sqrtableq cfraca+b2leq sqrtcfraca^2+b^22)

二、如何证明(高中阶段的均值不等式)

一个公知的数学常识:对于任意的实数(x,yin R)((x-y)^2ge 0),将其展开就得到(x^2+y^2ge 2xy)

此时我们做个代换,令(x=sqrta)(y=sqrtb),代入上式就得到((sqrta)^2+(sqrtb)^2ge 2sqrtab),其中(age 0,bge 0)

实际应用中常常不考虑为零的情形,故有:(cfraca+b2gesqrtab(a,b>0)[当且仅当a=b时取到等号]),下来以此为基础我们证明其他部分

(cfrac1a ightarrow a)(cfrac1b ightarrow b), 代入上式得到(cfraccfrac1a+cfrac1b2gesqrtcfrac1ab(a,b>0)),变换即得到(cfrac2cfrac1a+cfrac1aleq sqrtab[当且仅当a=b时取到等号])

(a^2+b^2ge 2ab),两边同加(a^2+b^2),得到(2(a^2+b^2)ge (a+b)^2),开方得到(sqrt2(a^2+b^2)ge a+b),两边同除以2,得到(cfraca+b2leq sqrtcfraca^2+b^22[当且仅当a=b时取到等号])

故有:(cfrac2cfrac1a+cfrac1b= cfrac2aba+bleq sqrtableq cfraca+b2leq sqrtcfraca^2+b^22[当且仅当a=b时取到等号])

三、几个常用的结论

  • (a^2+b^2+c^2ge ab+bc+ca)

证明:((a-b)^2+(b-c)^2+(c-a)^2ge 0),打开整理就是 (a^2+b^2+c^2ge ab+bc+ca)(当且仅当(a=b=c)时取到等号);

重要不等式的实际应用举例:

(A、B、C、D)是半径为2的球面上的四点,且满足(ABperp AC)(ADperp AC)(ABperp AD),则(S_Delta ABC+S_Delta ABD+S_Delta ACD)的最大值是________.

分析:结合题意,依托球内接长方体,则球体的直径的平方等于三个长方体的长宽高的平方和,

故设(AB=a)(AC=b)(AD=c),则有(a^2+b^2+c^2=4^2=16)

由重要不等式可知,(a^2+b^2+c^2ge ab+bc+ac)(当且仅当(a=b=c)时取等号);

(S_Delta ABC+S_Delta ABD+S_Delta ACD=cfrac12(ab+bc+ac)leq cfrac12(a^2+b^2+c^2)=8)

即所求的最小值为8。

  • 已知(a>0,b>0,a+b=1),可知(ab)的范围。

分析:(1=a+bge 2sqrtab),故有(0<sqrtableq cfrac12),即(0< ableq cfrac14)

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