: Расширить свои знания в области доказательства неравенств. Познакомиться с неравенством Коши. Научиться применять изученные методы к доказательству неравенств.

Скачать:

Предварительный просмотр:

Государственное бюджетное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа №655

Приморского района Санкт-Петербурга

«Доказательство неравенств. Неравенство Коши»

2014г.

Ли Нина Юрьевна

8в класс

Аннотация…………………………………………………………………………………….3

Введение …………………………………………………………………………………….. 4

Историческая справка………………………………………………………………………..4

Неравенство Коши……………………………………………………………………………5

Доказательство неравенств…………………………………………………………………..7

Выводы исследования………………………………………………………………………..10

Список литературы……………………………………………………………………………11

Ли Нина

г. Санкт-Петербург, ГБОУ СОШ №655, 8 класс

«Доказательство неравенств. Неравенство Коши».

руководитель: Мороз Юлия Владимировна, учитель математики

Цель научной работы: Расширить свои знания в области доказательства неравенств. Познакомиться с неравенством Коши. Научиться применять изученные методы к доказательству неравенств.

ВВЕДЕНИЕ

«…основные результаты математики чаще выражаются не равенствами, а неравенствами».

Э. Беккенбах

Решением неравенств мы занимаемся на протяжении всего школьного курса. Неравенства можно решать графическим и аналитическим способом. Чтобы решить любое неравенство существует определенный алгоритм действий, поэтому данная задача является, скорее механическим действием, который не требует творческого подхода.

Напротив, доказательство неравенств требует неформального, вариативного подхода. Поэтому доказательство неравенств является наиболее интересным.

Однако, в школьном курсе математики доказательству неравенств уделяется очень мало внимания. Доказательство неравенств сводится к одному приему- оценке разности частей неравенства. Между тем, на математических олимпиадах часто встречаются задачи на доказательство неравенств с применением других способов и приемов (использование опорных неравенств, метод оценивания). На олимпиадах для школьников по математике также часто предлагаются неравенства, доказательство которых лучше выявляет способности и возможности учащихся, степень их интеллектуального развития. Кроме того, многие задачи повышенной сложности (из различных разделов математики) эффективно решаются с помощью неравенств.

Актуальность темы «Доказательство неравенств» бесспорна, так как неравенства играют фундаментальную роль в большинстве разделов современной математики, без них не может обойтись ни физика, ни астрономия, ни химия. Теория вероятности, математическая статистика, финансовая математика, экономика – все эти взаимосвязанные и обобщающие друг друга науки и в формулировках основных своих законов, и в методах их получения, и в приложениях, постоянно используют неравенства.

Доказательства неравенств помогают развить навык осмысления и применения приемов доказательства неравенств; умение применять их при выполнении различных задач; умение анализировать, обобщать и делать выводы; логически излагать мысли; творчески относится к делу.

Целью данной работа является расширение знаний в области методов и приемов доказательства неравенств.

Для достижения данной цели исследования мы поставили перед собой задачи:

сбор информации из различных источников о приемах и методах доказательства неравенств;
познакомится с неравенством Коши;
Научится применять опорные неравенства к доказательству более сложных неравенств.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Понятия «больше» и «меньше» наряду с понятием «равенство» возникли в связи со счетом предметов и необходимостью сравнивать различные величины. Понятиями неравенства пользовались еще древние греки. Архимед (III в. до н. э.), занимаясь вычислением длины окружности, установил, что «периметр всякого круга равен утроенному диаметру с избытком, который меньше седьмой части диаметра, но больше десяти семьдесят первых». Иначе говоря, Архимед указал границы числа π.

В 1557 г., когда Роберт Рекорд впервые ввел знак равенства, он мотивировал свое нововведение следующем образом: никакие два предмета не могут быть между собой более равными, чем два параллельных отрезка. Исходя из знака равенства Рекорда, другой английский ученый Гарриот ввел употребляемые и поныне знаки неравенства, обосновывая нововведение следующим образом: если две величины не равны, то отрезки, фигурирующие в знаке равенства, уже не параллельны, а пересекаются. Пересечение может иметь место справа (>) или слева (

Несмотря на то что знаки неравенства были предложены через 74 года после предложенного Рекордом знака равенства, они вошли в употребление намного раньше последнего. Одна из причин этого явления коренится в том, что типографии применяли в то время для знаков неравенства уже имевшуюся у них латинскую букву V, тогда как наборного знака равенства (=) у них не было, а изготовлять его тогда - было нелегко.

Знаки ≤ и ≥ ввел французский математик П. Буге.

НЕРАВЕНСТВО КОШИ

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. И, кроме того, ничто не мешает нам в каждом конкретном случае поискать более удобное, 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.

Одним из таких «базовых» неравенств является неравенство Коши, указывающее на соотношение двух средних величин – среднего арифметического и среднего геометрического. Среднее арифметическое изучается в школьном курсе пятого класса и выглядит таким образом Среднее геометрическое впервые появляется в курсе геометрии восьмого класса - . В прямоугольном треугольнике таким свойством обладают три отрезка: два катета и перпендикуляр, опущенный из вершины прямого угла на гипотенузу.

Между этими двумя этими величинами существует удивительное соотношение, которое исследовали ученые. О. Коши, французский математик, пришел к выводу о том, что среднее арифметическое n неотрицательных чисел всегда не меньше среднего геометрического этих чисел.

Наряду с неравенством Коши полезно знать следствия из него:

Равенство достигается при a = b.

Неравенства верны, если выполняются условия a > 0, b > 0.

Алгебраическое доказательство этого не равенства довольно простое:

(а – в)² ≥ 0;

Применим формулу «квадрат разности»:

а² - 2ав + в² ≥0;

Прибавим к обеим частям неравенства 4ав :

а² + 2ав + в² ≥4ав;

Применим формулу «квадрат суммы»:

(а + в)² ≥4ав;

Разделим обе части неравенства на 4 :

Так как а и в – положительные по условию, то извлечём из обеих частей неравенства квадратный корень:

Получили искомое выражение.

Рассмотрим геометрическое доказательство:

Дано: ABCD – прямоугольный, AD = a, AB = b, AK – биссектриса угла ВАD.

Доказать:

Доказательство:

АК – биссектриса, следовательно, ВАL = LAD. LAD и BLA – внутренние накрест лежащие углы при параллельных ВС и AD и секущей AL, то есть BLA = LAD.
В = 90°, следовательно, BAL = LAD = 45°, но BLA = LAD, значит, ∆ АВL – равнобедренный, BL = AB = b.
∆AKD – равнобедренный, так как KD ┴ AD, DAL = 45°, значит AD = KD = a.

Очевидно, что , равенство достигается при

a = b , то есть ABCD – квадрат.

заменим в неравенстве а² на m , b² на n , получим

Или ,

то есть среднее геометрическое не больше среднего арифметического.

ДОКАЗАТЕЛЬСТВО НЕРАВЕНСТВ

Метод синтеза.

Это метод, основанный на получении (синтезировании) неравенства (которое требуется обосновать) из опорных (базисных) неравенств и методов их установления.

Решим задачу, используя метод синтеза

Задача 1. Докажите, что для любых неотрицательных a, b, c справедливо неравенство

Решение. Запишем три неравенства, устанавливающие зависимость между средним арифметическим и средним геометрическим двух неотрицательных чисел

Перемножим почленно полученные неравенства, так как их левая и правая части неотрицательны

Задача 2. Применим неравенство Коши к доказательству этого неравенства:

Метод использования тождеств .

Суть метода состоит в том, что данное неравенство путём равносильных преобразований приводится к очевидному тождеству.

Рассмотрим решение задачи этим методом.

Задача. Докажите, что для любых действительных чисел a и b справедливо неравенство .

Решение. Выделим в левой части неравенства полный квадрат

При любых действительных a и b это выражение неотрицательно, значит и данное неравенство выполнимо, то есть .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Данная исследовательская работа была направлена на решение следующих задач:

сбор информации и изучение различных методов и приемов доказательства неравенств;
знакомство с замечательным неравенством Коши, его доказательство алгебраическим и геометрическим способом;
применение полученных знаний для доказательства неравенств;
знакомство с методом синтеза и использования тождеств в решении поставленных задач.

В процессе решения задач мы достигли поставленной цели нашей исследовательской работы –нахождение оптимально эффективного метода доказательства неравенств.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Алгебра. 8 класс: учеб. для учащихся общеобр. учрежд./ Ю.Н.Макарычев, Н.Г.Миндюк, К.И.Нешков, И.Е.Феоктистов.-13-е изд.- М.:Мнемозина,2013.-384с.

Алгебра. 8 класс. Дидактические материалы. Методические рекомендации/ И.Е.Феоктистов.-3-е изд.,стер.-М.:Мнемозина,2013.-173 с.

Мордкович А.Г. Алгебра. 8 класс. В 2 ч. Ч. 1. Учебник для учащихся общеобразовательных учреждений / А.Г. Мордкович. – 10-е изд., стер. – М.: Мнемозина,2008. – 215с., С 185-200.

Берколайко С.Т. Использование неравенства Коши при решении задач.- М.: Квант, 1975.- №4.

Замечательное неравенство Коши.

Это знаменитое неравенство принадлежит французскому математику О.Коши, которое было опубликовано в 1821 году. В то время его доказательство занимало несколько страниц сложных выкладок и было основано на методе математической индукции. С тех пор появилось несколько десятков различных доказательств этого неравенства.

Теорема. Для неотрицательных чисел
справедливо неравенство Коши

Равенство достигается тогда и только тогда, когда
.

Доказательство. Пусть числа - положительны и
. Это число называется средним геометрическим положительных чисел , при
(если n=1, то
).

Возведём обе части равенства в n – ную степень. Получим

Умножим числитель и знаменатель этого равенства на

, n = 2, 3, 4, 5,…

Применим неравенство Бернулли (
), заменив в нём q на
. Получим

Таким образом

Если n = 2, то
;

Если n = 3, то
;

Если n = 4, то
;

……………………………..

Сложим эти неравенства почленно, получим:

Перенесём влево, разделим неравенство на n .

, где

Таким образом
.

Равенство достигается, когда все а равны.

Это неравенство справедливо и для неотрицательных чисел.

Существуют и другие варианты записи неравенства Коши:

Возведём обе части неравенства Коши в n - ную степень

Получим:

Рассмотрим задачи на применение неравенства Коши.

Задача № 1. Произведение положительных чисел
. Доказать, что

Решение. Применим неравенство Коши:

;

Задача №2. Решить уравнение:

Решение. При х = 2 правая часть уравнения равна 2, а при
будет меньше 2, поскольку каждое слагаемое меньше 1. Итак, правая часть не превосходит 2. Левую часть представим в виде

(х>1)

Применим неравенство Коши для слагаемых
и
.

(х > 1)

Таким образом правая часть уравнения не превосходит 2, а левая часть не меньше 2. Равенство достигается если обе части равны двум, то есть

Значит при х = 2.

Ответ: х = 2

Нахождение наибольшего и наименьшего значения функции.

С помощью неравенства Коши можно находить наибольшее и наименьшее значения функции без использования производной. Для этого потребуются утверждения, вытекающие непосредственно из неравенства Коши:

Задача № 1. Найти наименьшее значение функции
,
.

Решение. Представим функцию
в виде суммы слагаемых

Найдем произведение этих слагаемых

Это означает, что своё наименьшее значение сумма слагаемых принимает при
, то есть при
.

Ответ: у = 4 – наименьшее значение функции, которое достигается при х = 1 .

Задача № 2. Найти наибольшее значение функции
на отрезке
.

Решение. Возведём функцию в квадрат, получим:

, разделим обе части на 4:

Представим произведение в виде произведения

Найдём сумму этих множителей

то есть сумма принимает постоянные значения. Следовательно, функция
, а значит и функция достигает наибольшего значения при
.

Найдём значения функции в этих точках

Следовательно, наибольшее значение функции равно
при
.

Задача № 3. При каких значениях х функция достигает наибольшего значения?

Решение. Запишем функцию
в виде

Найдем сумму этих 5 сомножителей

Применим неравенство Коши для n = 5

Следовательно, функция достигает наибольшего значения равного
, если

Ответ: при
функция достигает наибольшее значение.

Задача № 4. Найти наибольшее и наименьшее значение функции
.

Решение. Найдём область определения функции
.

1)
- наименьшее значение, так как
.

2) Применим неравенство Коши для n = 2 для слагаемых
и
.

, то есть функция имеет наибольшее значение , оно достигается, если

Действительно,
.

Ответ:

Основные методы решения задач на установление истинности неравенств с переменными.

Метод анализа .

Это метод, основанный на анализе исследуемого неравенства, причём таком анализе, с помощью которого «обратимыми» рассуждениями строят цепочку переходов от доказываемого неравенства (через ряд промежуточных) к некоторому очевидному (благодаря ранее полученным результатам) неравенству.

Рассмотрим решение задачи методом анализа.

Задача № 1. Доказать, что для любых действительных чисел a , b , c , d таких, что
и
, выполнимо неравенство
.

Решение. Рассмотрим цепочку переходов от одного неравенства к другому, ему равносильному, учитывая, что и по условию.

Возведём обе части в квадрат, так как они неотрицательны:

Подставим значения c ² и d ² из условия .

Получили очевидное неравенство.

Метод синтеза.

Решим задачу, используя метод синтеза.

Задача № 2. Докажите, что для любых неотрицательных a , b , c справедливо неравенство

;
;

Перемножим почленно полученные неравенства, так как их левая и правая части неотрицательны

Метод от противного.

Суть метода состоит в том, что предполагается выполнение всех условий задачи, а вот само неравенство не выполнено. После чего проводится цепочка равносильных преобразований и выявляется гипотеза, устанавливающая противоречия о выполнении данного неравенства.

Рассмотрим задачу № 1, решённую методом анализа. Решим её методом от противного. . Свойства числовых неравенств . Неравенства одинакового смысла. Неравенства противоположного смысла. Среднее арифметическое. Среднее геометрическое Неравенство Коши ... положительного числа. Стандартный вид положительного ...

Программа модуля «Методы доказательства неравенств»

Программа

... неравенства : 1) (неравенство Коши ) 2) 3) 4) Историческая справка: Неравенство (1) называют в честь французского математика Огюста Коши . Число называют средним арифметическим...

Основная образовательная программа высшего профессионального образования подготовки специалиста 050201. 65 (1)

Основная образовательная программа

... неравенства и в форме эквивалентности), признаки Даламбера и Коши , интегральный признак сходимости для рядов с положительными членами...

II – я Всероссийская дистанционная ученическая Конференция

Различные средние положительных. Неравенство Коши.

Математика , исследование.

Горбунов Денис , 11 класс, МОУ лицей №1 г. Кунгура Пермского края

Научный руководитель: Тихомирова Галина Николаевна , учитель математики лицея №1

Web-адрес:/works.html

Аннотация.

В школьном курсе математики и физики изучаются средние величины (среднее арифметическое, среднее геометрическое, среднее гармоническое и среднее квадратичное).

Между ними существуют удивительные соотношения, которые исследованы учёными. О.Коши, французский математик, сопоставив две средние величины, пришёл к выводу о том, что среднее арифметическое n чисел всегда не меньше среднего геометрического этих чисел.

Неравенство Коши используется при решении уравнений, неравенств и систем методом оценок, появляется в вариантах теста ЕГЭ (например, задача С 3 в 2006 году).

Развитие теории неравенств с переменными за последние сто лет привело к появлению в ней необычайного разнообразия методов и направлений, что и стало предметом моего исследования.

Работа состоит из двух частей: теоретической и практической. Теоретическая часть представлена тремя разделами: средние величины и их сравнение для двух положительных чисел; замечательные неравенства и методы решения задач.

Думаю, что проделанная мною работа поможет мне успешно подготовиться к ЕГЭ и будет интересна для ознакомления выпускникам школ и увлечённым математикой людям.

Тема: Различные средние положительных. Неравенство Коши.

Цель: изучение средних величин, определение оптимальных методов решения задач со средними величинами.

Задачи:

познакомиться с историей появления средних величин,

дать определение средним величинам,

доказать алгебраически и геометрически соотношение между средними величинами,

рассмотреть применение неравенства Коши при исследовании свойств функций,

систематизировать различные методы решения нестандартных задач.

Почему я выбрал эту тему?

Когда передо мной встал вопрос выбора темы, я из всех рассматриваемых вариантов незамедлительно выбрал эту. Свой выбор я основывал на том, что эта тема поможет мне подготовиться к экзаменам и узнать много нового для себя.

План:

Вступление

А)Теоретическая часть

2.1.Понятие средней величины.
2.2.Из истории средних величин
2.3.Соотношение между средними величинами

2.3.1.Сравнение среднего арифметического и среднего геометрического

2.3.2.Сравнение среднего арифметического и среднего квадратичного

2.3.3.Сравнение среднего гармонического и среднего геометрического

2.3.4.Геометрическое доказательство сравнения средних величин

2.3.4.1. Среднее арифметическое и среднее квадратичное

2.3.4.2. Среднее арифметическое и среднее геометрическое

2.3.4.3. Среднее гармоническое и среднее геометрическое

2.3.4.4. Построение четырёх средних по заданным отрезкам a и b

2.3.5.Решение геометрических задач на сравнение средних величин

2.4. Средние для n положительных чисел

2.5. Замечательные пределы, порождаемые классическими средними.

2.6. Замечательное неравенство Коши

Б)Практическая часть

2.7.Основные методы решения задач на доказательство неравенств

2.7.1. Метод анализа

2.7.2. Метод синтеза

2.7.3. Метод от противного

2.7.4. Метод использования тождеств

2.7.5. Метод оценивания

2.7.6. Метод введения новых переменных, или метод

подстановки

2.7.7. Метод введения вспомогательных функций

2.7.8. Метод уменьшения числа переменных в неравенстве и понижения степени неравенства

2.8. Применение неравенства Коши при решении задач.

2.9. Задача Дидоны и другие задачи на оптимизацию

III. Заключение

IV. Список литературы

Вступление.

В школьном курсе математики каждый пятиклассник встречается со средним арифметическим двух или нескольких натуральных чисел (;
;…). При изучении геометрии в восьмом классе, рассматривая прямоугольный треугольник, каждый школьник знакомится со средним геометрическим двух отрезков (
). В прямоугольном треугольнике таким свойством обладают три отрезка: два катета и перпендикуляр, опущенный из вершины прямого угла на гипотенузу. С уроков физики известно, что если и - скорости на двух участках пути, то средняя скорость равна
, то есть является средним гармоническим и . Существует ещё и четвёртое среднее – среднее квадратичное
.

Можно выделить большой класс задач, для решения которых достаточно знать и уметь применять сравнительно несложные неравенства. К числу таких неравенств относится, прежде всего, неравенство Коши: среднее арифметическое двух положительных чисел a и b не меньше их среднего геометрического:
. Наряду с неравенством Коши полезно знать следствия из него:

В неравенствах равенство достигается, если a = b . Эти неравенства эквивалентны друг другу при
,
.

Данные неравенства используются при решении уравнений, неравенств и систем методом оценок, появляются в вариантах теста ЕГЭ (например, задача С 3 в 2006 году).

Следует отметить, что развитие теории неравенств с переменными за последние сто лет привело к появлению в ней необычайного разнообразия методов и направлений.

Я изучил большое количество литературы по данной теме, систематизировал её. Работа состоит из двух частей: теоретической и практической. Теоретическая часть представлена тремя разделами: средние величины и их сравнение для двух положительных чисел; замечательные неравенства и методы решения задач.

Вторая часть – практическая, которая ставила своей целью научиться применять замечательные неравенства при решении различных заданий.

Думаю, что проделанная мною работа поможет мне успешно подготовиться к ЕГЭ.

Понятие средней величины.

Средней величиной действительных чисел
называют всякое действительное число х, удовлетворяющее условию
, где m – наименьшее, а М – наибольшее среди чисел .

Средняя величина чисел только одна в том и только в том случае, когда
.

Средним геометрическим действительных неотрицательных чисел
называют такое действительное неотрицательное число .

Средним арифметическим действительных чисел называют действительное число
.

Средним гармоническим действительных положительных чисел называют положительное число
.

Средним квадратическим (квадратичным) действительных чисел называют неотрицательное действительное число
.

Если рассмотреть два положительных числа a и b, то эти средние величины будут выглядеть следующим образом:

Можно рассмотреть следующие задачи.

Задачи № 1. Определить среднюю скорость туриста на всем пути, если от пункта А до пункта В он шёл со скоростью , а обратно – со скоростью .

Решение. Обозначим символом S расстояние между пунктами А и В, тогда

- время туриста от А до В, а

- время туриста обратно.

+ - время, затраченное на весь путь.

Тогда

Получили, что есть среднее гармоническое скоростей и .

Задача № 2. В прямоугольном треугольнике АВС из вершины С на гипотенузу опущен перпендикуляр CD, который делит гипотенузу на отрезки AD = a; BD = b. Выразить через a и b:

DE (где Е – есть точка пересечения окружности, описанной около треугольника АВС, и перпендикуляра, проведённого к АВ через центр окружности)

СК (где точка К- есть основание перпендикуляра, опущенного из точки D на r = СО.

Решение.

1) ∆АВС – прямоугольный, поэтому АВ – диаметр окружности

АВ = a + b, О – центр окружности, то есть АО = ОВ = ОЕ =

Получили, что ЕО = является средним арифметическим двух отрезков, длины которых a и b.

2)CD┴АВ (по условию), следовательно, по свойству перпендикуляра, опущенного из вершины прямого угла на гипотенузу, CD²=ADDB. Значит

, то есть
.

CD является средним геометрическим двух отрезков, длины которых равны a и b.

3) ∆OED – прямоугольный, так как EO ┴ АВ (по условию)

(как радиус окружности)

По теореме Пифагора

DE² = OD² + OE²

, то есть DE является средним квадратичным для двух отрезков, длины которых a и b.

∆DOC – прямоугольный, так как CD ┴ АВ. Проведём

┴ СО.

По свойству прямоугольного треугольника CD² = CO CK, то есть

, то есть СК – среднее гармоническое для a и b.

Из решения этой задачи видно, что для двух отрезков a и b можно найти четыре зависимости: среднее квадратичное, среднее гармоническое, среднее арифметическое, среднее геометрическое.

В какой же зависимости они находятся друг от друга?

Из истории средних величин.

Когда возникли понятия средних величин в математике, точно не известно. Но предполагают, что уже вавилоняне более трех тысяч лет назад использовали их при вычислении квадратных корней. В дошедших до нас табличках квадратные корни из натуральных чисел фактически вычислены по известной нам формуле:

если N = β² + r, то
=

.

Восстанавливая ход рассуждений вавилонян, современные учёные пришли к выводу, что они брали среднее арифметическое чисел β и . В самом деле, если обозначить
, то β=
.

Много позже древнегреческий математик Герон (I в.) в своей «Метрике», применяя тот же метод приближённого вычисления квадратного корня, писал, что если результат получается со слишком большой погрешностью, то указанную процедуру можно повторить, т.е. взять среднее арифметическое чисел βи .

Применим этот алгоритм к вычислению квадратного корня из натурального числа, записав его в виде произведения двух натуральных чисел: N = ab (при простом N один из сомножителей равен 1). В качестве первого приближения значения
возьмём
, затем следуя рекомендации Герона, найдем
, которое оказывается средним гармоническим
чисел a и b .

Также средние величины были известны и античным математикам. В одном из математических тестов, которые приписывают древнегреческому математику Архиту (ок. 428 – 365 г.г. до н.э.), среднее арифметическое А , среднее геометрическое G и среднее гармоническое Н определялись как равные члены соответственно арифметической, геометрической и гармонической пропорций:

a – А = А – b;

a: G = G: b;

(a – H) : a = (H – b) : b.

Из этих равенств получаем

;
;
.

Свои названия перечисленные средние величины получили в античные времена. Аристотель (384 – 322 г.г. до н.э.), великий философ древности, объяснял происхождение названий так. Среди чисел
каждое последующее больше предыдущего на постоянное число
(при условии a каждая следующая больше предыдущего в фиксированное число
раз; такое сравнение производится только в геометрии. Естественно, Аристотель высказывал отношение к операциям, бытовавшим в древнегреческой математике.

Иногда вместо термина «среднее геометрическое» используют название среднее пропорциональное. Объясняется это совсем просто: ведь равенство равносильно пропорции a : G = G : b .

По преданию гармоническое среднее ввёл Пифагор (VI в. до н.э.), выразив с его помощью отношение основных гармонических интервалов. Пифагор установил, что вместе со струной длиной 12l , созвучно сливаясь с ней звучат струны того же натяжения с длинами 6l (выше на октаву), 8l и 9l (выше на кванту и на кварту), при этом 9l есть среднее арифметическое чисел 6l и 12l , а 8l он определил как среднее гармоническое этих чисел. Это созвучие (и определяющее его отношение 6, 8, 9, 12) называлось тетрадой. Пифагорейцы считали, что тетрада есть «та гамма, по которой поют сирены».

Открытие тетрады привело пифагорейцев к поискам подобных соотношений в других областях человеческих знаний, в том числе архитектуре («золотое сечение»), геометрии, космологии и т.д.

В древнегреческой математике, которая была по преимуществу геометрической, было известно несколько способов построения средних по двум данным отрезкам а и в . У Паппы Александрийского (III в.) в его «Математическом собрании», своде результатов древнегреческой математики, приведено построение среднего геометрического двух отрезков по способам его предшественников Эратосфена (276 – 174 г.г. до н.э.), Никомеда (II в. до н.э.) и Герона (I в.), дано также описание построения на одной фигуре всех трёх отрезков.

Формулы, задающие различные средние, вообще говоря, имеют смысл не только при положительных a и b . Однако, чтобы каждый раз не задумываться над вопросом существования средней величины, обычно считают a и b положительными.

Соотношение между средними величинами.

Сравнение среднего арифметического и среднего геометрического.

Хорошо известно, что с двумя положительными числами а и в , связаны их среднее арифметическое и среднее геометрическое, причем (равенство выполняется только при а = в ). Алгебраическое доказательство этого неравенства чрезвычайно простое:

(а – в)² ≥ 0;

Применим формулу «квадрат разности»:

а² - 2ав + в² ≥0;

Прибавим к обеим частям неравенства 4ав :

а² + 2ав + в² ≥4ав;

Применим формулу «квадрат суммы»:

(а + в)² ≥4ав;

Разделим обе части неравенства на 4 :

Т
ак как а и в – положительные по условию, то извлечём из обеих частей неравенства квадратный корень:

Получили искомое выражение.

Сравнение среднего арифметического и среднего квадратичного.

По определению неравенства если (а – в) ≥0, то а ≥ в, а если (а – в)≤0, то а ≤ в. Но для положительных а и в имеет место выражение: если (а² - в²)≥0, то а ≥ в и наоборот.

Для доказательства
рассмотрим разность

Значит по определению неравенства (при а≥0; b ≥0 ) разность квадратов отрицательна, то есть уменьшаемое меньше вычитаемого. Таким образом , причём равенство достигается только при a = b .

Сравнение среднего гармонического и среднего геометрического.

Докажем, что среднее гармоническое не больше среднего геометрического, то есть
. Рассмотрим разность

При условии, что a и b положительны разность квадратов
, то есть уменьшаемое меньше вычитаемого. Значит , причём равенство достигается лишь при a = b .

Таким образом мы доказали одно из важнейших неравенств, связанных со средними:

Геометрические доказательства.

Сравнение среднего арифметического и среднего геометрического для двух положительных чисел a и b.

Дано: окр.(О;ОА); AD = a ; BD = b

Доказать:

Доказательство:

дуга АКВ = 180° значит, угол АСВ = 90 ° (по свойству вписанного угла)

Таким образом, ∆АСВ – прямоугольный,

∆АВС подобен ∆ ADC

(по общему острому углу)

2) ∆АВС подобен ∆ CBD

3) CD ┴АВ , то есть ∆ ADC подобен ∆ CBD .

4)
, следовательно,

, следовательно,

, следовательно,
, значит, , то есть
.

5) ∆ CDO – прямоугольный, CD ┴ OD , значит, CD < OC , то есть
.

6) Если a = b , то точка D совпадает с точкой О , то
.

Поэтому , что и требовалось доказать.

Это неравенство можно доказать и другим способом.

II способ.

Дано: ABCD – прямоугольный, AD = a, AB = b, AK – биссектриса угла ВАD.

Доказать:

Доказательство:

Очевидно, что
,
равенство достигается при

a = b , то есть ABCD – квадрат.

;
,

заменим в неравенстве а² на m , b ² на n , получим

или
,

то есть среднее геометрическое не больше среднего арифметического.

Сравнение среднего квадратичного и среднего арифметического.

Средние для n положительных чисел.

Средние величины можно находить для любого количества положительных чисел
. Определения этих средних даны выше. Для любых положительных чисел среднее арифметическое, среднее геометрическое, среднее гармоническое, среднее квадратичное удовлетворят неравенствам:

в каждом из которых знак равенства достигается лишь в случае, когда
.

Самым важным и значимым из этих неравенств является неравенство о среднем арифметическом и среднем геометрическом, которое носит название неравенства Коши.

Замечательные пределы, порождаемые классическими средними.

Пусть даны два положительных числа a и b , a < b . Вычислив какую – либо пару средних этих чисел, получим числа и . Затем для чисел и вычислим те же средние – получим числа и . С ними повторим ту же процедуру и так далее. В результате получим последовательности
и
.

Например, взяв среднее геометрическое и среднее арифметическое и отправляясь от чисел 1 и 3, получаем

В этом примере последовательности и очень быстро сближаются. Всегда ли так будет? Оказывается, подобные последовательности всегда имеют общий предел.

Арифметико – гармоническое среднее.

Пусть выбранная пара средних – это среднее гармоническое и среднее арифметическое; таким образом, члены последовательностей и определяются формулами

,
,

,
.

Рассмотрим среднее гармоническое, среднее геометрическое и среднее арифметическое

Отсюда следует, что

То есть последовательность возрастает «навстречу» убывающей последовательности .

Таким образом, обе последовательности монотонны и ограничены, следовательно, они имеют пределы. Пусть
,
. Вычислим предел

То есть последовательности и имеют общий предел. Этот предел называется арифметико – гармоническим средним чисел a и b .

Найдём его:

Так как и , где n =0, 1, 2, 3,… ; ;
, то

Поэтому

Поэтому
.

Арифметико – гармоническое среднее совпадает со средним геометрическим.

Таким образом последовательности и достаточно быстро сходятся к . Поэтому они могут оказаться полезными для приближённого вычисления квадратных корней. Для вычисления
нужно начинать последовательности , с таких чисел a и b , что c = ab (например, a =1, b = c ), причём процесс будет сходиться тем быстрее, чем меньше разность между этими множителями (например, для вычисления
лучше брать не a =1, b =56 , а a =7, b =8 ). Последовательности и получаются по формулам

;
.

Для иллюстрации вычислим
, положив b =4 . Получаем

Арифметико – геометрическое среднее.

Четырнадцатилетний карл Фридрих Гаусс обнаружил на числовых примерах, что при вычислении последовательностей и с помощью арифметических и геометрических средних:

, ,

эти последовательности очень быстро сближаются.

Их общий предел называется арифметико – геометрическим средним чисел a и b и обозначается через
. Найти явное выражение через a и b очень не просто. Впервые оно было получено Гауссом в результате необычайно остроумных и виртуозных рассуждений и преобразований, использующих свойства так называемых эллиптических интегралов.

Геометрическо – гармоническое среднее.

Если строить последовательности и с помощью средних гармонических и средних геометрических:

; ,

то в этом случае они сходятся к общему пределу. Назовём его геометрическо – гармоническим средним a и b и обозначим его через
. Однако ничего существенно нового по сравнению с предыдущими последовательностями здесь нет, так как

;
.

Замечательное неравенство Коши.

Теорема. Для неотрицательных чисел справедливо неравенство Коши

Равенство достигается тогда и только тогда, когда .

Возведём обе части равенства в n – ную степень. Получим

Умножим числитель и знаменатель этого равенства на

, n = 2, 3, 4, 5,…

Применим неравенство Бернулли (
), заменив в нём q на
. Получим

Таким образом

Если n = 2, то
;

Если n = 3, то
;

Если n = 4, то
;

……………………………..

Сложим эти неравенства почленно, получим:

Перенесём влево, разделим неравенство на n .

, где

Таким образом
.

Равенство достигается, когда все а равны.

Это неравенство справедливо и для неотрицательных чисел.

Существуют и другие варианты записи неравенства Коши:

Возведём обе части неравенства Коши в n - ную степень

Получим:

Рассмотрим задачи на применение неравенства Коши.

Задача № 1. Произведение положительных чисел
. Доказать, что

Решение. Применим неравенство Коши:

;

Задача №2. Решить уравнение:

(х>1)

Слагаемых
и
.

(х > 1)

Значит при х = 2.

Ответ: х = 2

Нахождение наибольшего и наименьшего значения функции.

Задача № 1. Найти наименьшее значение функции
,
.

Решение. Представим функцию
в виде суммы слагаемых

Найдем произведение этих слагаемых

Это означает, что своё наименьшее значение сумма слагаемых принимает при
, то есть при
.

Ответ: у = 4 – наименьшее значение функции, которое достигается при х = 1 .

Задача № 2. Найти наибольшее значение функции
на отрезке
.

Решение. Возведём функцию в квадрат, получим:

, разделим обе части на 4:

Представим произведение в виде произведения

Найдём сумму этих множителей

Найдём значения функции в этих точках

Следовательно, наибольшее значение функции равно
при
.

Задача № 3. При каких значениях х функция достигает наибольшего значения?

Решение. Запишем функцию
в виде

Найдем сумму этих 5 сомножителей

Применим неравенство Коши для n = 5

Следовательно, функция достигает наибольшего значения равного
, если

Ответ: при
функция достигает наибольшее значение.

Задача № 4. Найти наибольшее и наименьшее значение функции
.

Решение. Найдём область определения функции
.

1)
- наименьшее значение, так как
.

2) Применим неравенство Коши для n = 2 для слагаемых
и
.

, то есть функция имеет наибольшее значение , оно достигается, если

Действительно,
.

Ответ:

Основные методы решения задач на установление истинности неравенств с переменными.

Метод анализа .

Рассмотрим решение задачи методом анализа.

a , b , c , d таких, что
и
, выполнимо неравенство
.

Возведём обе части в квадрат, так как они неотрицательны:

Подставим значения c ² и d ² из условия .

Получили очевидное неравенство.

Метод синтеза.

Решим задачу, используя метод синтеза.

Задача № 2. Докажите, что для любых неотрицательных a , b , c справедливо неравенство

;
;

Перемножим почленно полученные неравенства, так как их левая и правая части неотрицательны

Метод от противного.

Рассмотрим задачу № 1, решённую методом анализа. Решим её методом от противного.

Задача № 1. Доказать, что для любых действительных чисел a , b , c , d

Решение. Пусть условия задачи выполнены, то есть и и .

Допустим, что данное неравенство неверно, а при данных условиях выполняется следующее неравенство:

Это неравенство равносильно совокупности неравенств:

Умножим обе части неравенства на 2 и правую часть представим в виде суммы 1+1:

Подставим из условия значения 1:

Перенесём всё в левую часть и применим формулу квадрат суммы:

Получили совокупность неравенств, которая решений не имеет, значит предположение о выполнении неравенства неверно, то есть .

Метод использования тождеств .

Рассмотрим решение задачи этим методом.

a и b справедливо неравенство
.

Решение. Выделим в левой части неравенства полный квадрат

При любых действительных a и b это выражение неотрицательно, значит и данное неравенство выполнимо, то есть .

Метод оценивания (метод усиления или ослабления).

Метод усиления заключается в последовательном переходе от меньшей функции к большей (как говорят, оценивающей «сверху» эту меньшую функцию). Такие «переходы» приводят к получению так называемого более сильного неравенства, то есть неравенства с большей правой частью, нежели у его предшественников – неравенств. Иначе говоря, если требуется доказать неравенство вида A < B и удалось установить, что A < C и С < B, где А, В, С - функции от соответствующих переменных, принимающих произвольные значения из оговорённой области определения, то тем самым оказывается установленным и неравенство А < В.

Метод ослабления – метод перехода к доказательству более слабого неравенства заключается в следующем: если требуется доказать неравенство вида A > B и удалось установить, что A > C и C > B, где А, В, С – функции от соответствующих переменных, принимающих произвольные значения из оговорённой области определения, то тем самым оказывается установленным и неравенство A > B.

Аналогичный подход можно применять для доказательства нестрогих неравенств.

Вернёмся к задаче № 1 и решим её третьим способом – методом усиления.

Задача № 1. Доказать, что для любых действительных чисел a , b , c , d таких, что и , выполнимо неравенство .

Решение. Применим свойство модуля
к левой части неравенства
.

Представим слагаемые в правой части в виде корня:

К этим выражениям применим зависимость между средним арифметическим и средним геометрическим

Таким образом, .

Метод введения новых переменных, или метод подстановки.

Суть метода состоит в том, что в данном неравенстве какое – либо выражение обозначается новой переменной, а затем полученное неравенство относительно новой переменной доказывают, используя уже известные методы.

Рассмотрим задачу на применение данного метода.

Задача № 4. Доказать, что для любых положительных a , b , c справедливо неравенство

Решение. Пусть
;
;
.

Найдём сумму новых переменных x + y + z и применим зависимость между средним арифметическим и средним геометрическим

;
;

Подставим значения x , y и z :

Так как a >0, b >0, c >0 по условию, то

Метод введения вспомогательных функций с целью использования их свойств.

Суть метода заключается в том, что в неравенстве одно значение переменной фиксируется как параметр, а другое значение обозначается через переменную х . В результате чего получаем вспомогательную функцию относительно х . Для доказательства условия задачи следует выяснить множество значений полученной вспомогательной функции.

Решим задачу на применение этого метода.

Задача № 3. Докажите, что для любых действительных чисел a и b справедливо неравенство .

Решение. Решим эту задачу вторым способом, методом введения вспомогательной функции. Пусть b – фиксированное действительное число, параметр, а = х , тогда получим функцию
, которая является квадратичной, ветви параболы направлены вверх.

Поэтому квадратичная функция принимает только неотрицательные значения, , значит
, то есть .

Метод уменьшения числа переменных в неравенстве и понижение степени неравенства.

Суть метода заключается в том, что уменьшается число переменных в неравенстве с помощью метода подстановки и выполнения арифметических действий и применения очевидных тождеств.

Рассмотрим доказательство неравенства этим методом.

Задача № 1. Докажите, что для любых положительных a , b , c справедливо неравенство: .

Решение. Разделим правую и левую части неравенства на с 3 (c > 0 , а значит и с 3 > 0 ) и введём новые переменные:

В результате получим новое неравенство

;
,

доказательство которого равносильно доказательству исходного неравенства. Перепишем его левую часть в следующем виде:

и введём новые переменные:

;
, причём x > 0 , y > 0 и x ² ≥ 4 y . Теперь получили неравенство вида

Где
,

чьё обоснование позволяет сделать вывод и о справедливости исходного неравенства. Существенными достижениями в результате сделанных преобразований явились следующие: уменьшилось число переменных, а степень относительно переменного у оказалась равна единице. Преобразовав полученное неравенство к виду

и введя в рассмотрение следующую вспомогательную функцию (считая х произвольным положительным фиксированным числом) с областью определения R можем заключить, что при любом фиксированном значении х графиком этой функции будет прямая. Следовательно, её наименьшее на отрезке
достигается на одном из его концов. Найдем значение функции в этих точках:

и
. Таким образом значения функции на концах отрезка положительны при x > 0 , а это доказывает истинность исходного неравенства.

Применение неравенства Коши при доказательстве неравенств

Задача № 1. Доказать неравенство

Задача Дидоны и другие задачи на оптимизацию.

Ещё в глубокой древности люди задумывались, как, имея в своём распоряжении тот или иной ресурс (например, деньги), так им распорядиться (вложить деньги в «дело», дать в долг под проценты, раздать нищим, закопать в собственном огороде и т. д.), чтобы получить наибольшую пользу и наименьший ущерб для себя.

То, что подобные задачи на оптимизацию встречались ещё в античные времена, донесли до нас мифы Древней Греции и Рима. Причём интуиция и опыт человеческий уже тогда позволяли «нащупать» решения подобных задач, дающие оптимальный или близкий к оптимальному результат.

Вот один из мифов, наполовину древнегреческий, наполовину древнеримский. Дочь царя Тира, Дидона, жена жреца храма Геракла Акербаса вынуждена была бежать из Финикии в Северную Африку. Причина бегства – её брат, Пигмалион, позарившийся на богатства её мужа и убивший его. Многочисленные сокровища мужа и многочисленные спутники Дидоны нуждались в пристанище. Чтобы обрести его, беглянка купила у берберийского царя Ярба землю, причём по условию она в обмен на немалые сокровища могла взять ровно столько земли, сколько покроет одна бычья шкура. Чтобы выполнить это условие и получить достаточно обширную территорию, Дидона разрезала шкуру на тонкие ремни, сделала из них длинную верёвку и «окружила» ею изрядный кусок земли, естественно, круглой формы, на котором основала Карфаген. Любопытно, что карфагенская цитадаль называется Бирса (Бирсу), что в переводе с греческого означает «шкура». Однако дальнейшая судьба Дидоны была трагическая: она покончила жизнь самоубийством.

Но вернёмся к математике. Задача, которую решила Дидона, может быть сформулирована так: найти замкнутую кривую, ограничивающую часть плоскости с максимальной площадью. В таком общем виде эта задача слишком сложна. Однако, если упростить задачу Дидоны и договориться о более конкретных формах участка земли, то возникают задачи, чьи решения могут быть получены без обращения к высшей математике, при помощи замечательных неравенств. Задачи типа задачи Дидоны называют в математике изопериметрическими задачами (от греческих слов isos – равный и perimetrio – измеряю вокруг).

Задача № 1. Найдите из множества всех прямоугольников с заданным периметром тот, чья площадь наибольшая.

Решение. Обозначим стороны искомого прямоугольника символами x и y , а его периметр – символом р > 0, тогда задача стоит так: при каких x и y – положительных числах, удовлетворяющих условию
, их произведение будет наибольшим. Применим неравенство Коши: ,

где фиксированное число
. Требуется определить наибольшее значение выражения

Применим неравенство Коши для n = 3

то есть
, причём равенство достигается тогда и только тогда, когда , то есть для равностороннего треугольника.

Рассмотрим задачу С 3 , которая предлагалась в тесте ЕГЭ в 2006 году.

Задача № 3. Требуется разместить на земле участок площадью 3400 м 2 , который состоит из трёх прямоугольных частей и имеет форму многоугольника ABCDFGHM , изображённого на рисунке, где ВС = 20 м, CD = 15 м, GH = 30 м и HM ≥ 40 м . Найдите наименьшее значение периметра такого участка и какие – либо значения длин АК,

Равенство достигается при
, то есть
.

Таким образом,

, то есть

И это значение достигается при

Ответ. Р = 280 м; АК = 70; AL = 70; HM = 40.

Заключение.

Неравенства для средних и сами средние широко применяются не только в алгебре, геометрии, математическом анализе, но и в статистике, в теории вероятностей (оттуда пришло среднее квадратичное), при обработке результатов измерений. Средняя урожайность, средняя плотность населения, средняя температура, средняя рождаемость, средняя глубина реки, – это примеры средних величин, постоянно окружающих нас.

Неравенства играют фундаментальную роль в большинстве разделов современной математики, без них не может обойтись ни физика, ни математическая статистика, ни экономика. По словам Э. Беккенбаха, «…основные результаты математики чаще выражаются неравенствами, а не равенствами». Однако до сих пор нет хорошо разработанной, достаточно общей «теории неравенств», хотя для обоснования отдельных классов неравенств такую теорию удалось создать – это и некоторые разделы выпуклого анализе, и теория мажоризации, и ряд других. Так или иначе, но неравенства встречаются как в классических разделах математики (в геометрии, в дифференциальном и интегральном исчислении, в теории чисел), так и в достаточно современных её разделах (теория автоматов, теория кодирования). Количество новинок среди даже не неравенств, а классов неравенств увеличивается необычайно быстро, стремительно и неудержимо.

Можно было бы указать имена тех учёных, кто получил первым тот или иной результат, касающийся неравенств. Однако многие из результатов были получены и применены как некоторые вспомогательные средства в какой – либо работе по геометрии, астрономии, или физике, а затем переоткрыты много лет спустя. Это послужило причиной тому, что даже названия многих замечательных неравенств не устоялись, а также терминология вообще. В разных странах и в разных математических школах одно и то же неравенство называют по – разному и приписывают его открытие разным математикам. Зачастую давно полученное неравенство вдруг оказывается частным случаем и более общего, да и более молодого по срокам появления неравенства. Например, невозможно найти первооткрывателя того фундаментального факта, что квадрат любого действительного числа всегда неотрицателен, а значит для любых действительных чисел a и b справедливо соотношение
, а значит
, откуда получается знаменитое соотношение между средним арифметическим и средним геометрическим, то есть , где
.

Список литературы.

Алексеев Р. Б., Курляндчич Л. Д. Неравенства // Математика в школе, 1990, № 3.

Антонова Н., Солодовиков С. Неравенство Коши о среднем арифметическом и геометрическом // Математика, 1999, № 20.

Берколайко С. Т. Использование неравенства Коши при решении задач // Квант, 1975, № 4.

Волошинов А. В. Математики и искусство – М.: Просвещение, 1992.

Глейзер Г. И. История математики в средней школе. – М.: Просвещение, 1970.

Глейзер Г. И. История математики в школе. – М.: Просвещение, 1982.

Гольдман А., Звавич Л. Числовые средние и геометрия // Квант, 1990, № 9.

Гомонов С. А. Замечательные неравенства: способы получения и примеры применения. 10 – 11 классы: учебное пособие. – М.: Дрофа, 2006.

Готман Э. Геометрические задачи на максимум и минимум // Квант, 2005, № 2.

Дубровский В. Н. Задача об общей внешней касательной к окружностям, касающимся внешним образом // Квант, 1986, № 2.

Егоров А. Треугольники и неравенства // Квант, 2005, № 2.

Искандеров А. Геометрические доказательства теорем о средних // Квант, 1981, № 2.

Крейн М., Кудельман А. Замечательные пределы, порождаемые классическими средними // Квант, 1981, № 9.

Крейн М., Нудельман А. Замечательные пределы, порождаемые классическими средними // Квант, 1981, № 9.

Кушнир И. А. Урок одной задачи // Квант, 1986, № 9.

Мугаллимова С. Среднее. В среднем. О среднем… // Математика, 2000, № 8.

Савин А., Сендеров В. Описанная трапеция и средние //Квант, 1972, № 8.

Седракян Н. О применении одного неравенства // Квант, 1997, № 2.

Сивашинский И. Х. Неравенства в задачах. – М.: Наука, 1967.

Скопец З. А. Сравнение различных средних двух положительных чисел // Квант, 1979, № 2.

Соловьёв Ю. Неравенства // Математика, 2006, № 5.

Сороки Г. Классические неравенства в задачах // Математика, 2005, № 15.

Фалин Г., Фалин А. Сложные задачи вступительных экзаменов в МГУ: неравенства о средних // Математика, 2006, № 10.

Чистяков И. Неравенства Коши о средних арифметическом и геометрическом // Математика, 2000, № 7, № 8.

Чистяков И. Неравенства Коши о среднем арифметическом и геометрическом // Математика, 2000, № 7.

Шлейфер Ф. Г. Круговые неравенства // Математика в школе, 1994, № 3.

Энциклопедический словарь юного математика / Сост. А. П. Савин. – М.: Педагогика, 1989.

ДокументКнига

Кантовское мнение. Возможны различные математики , например в области... выстраивает свою положительную философию математики . « ... . А.П. Юшкевич (История математики в Средние века. М., 1961. ... Они являются воплощением неравенства Коши -Буняковского-Шварца в...

Математика экономического профиля
Документ
... математики (Зарождение математики . Математика постоянных величин, как второй период развития математики . Математика ... положительно ... неравенство Коши -Буняковского-Шварца; ортогональные системы; неравенство ... среднем , ... различных задач с использованием различных ...

Неравенство Коши-Буняковского

В предыдущем пункте у нас остался пробел. Мы определили угол между векторами и формулой

Для того чтобы можно было определить из этого равенства, нужно доказать, что

или, что то же самое, что

Это неравенство называется неравенством Коши-Буняковского.

Итак, для того чтобы иметь право определить угол между двумя векторами формулой (5), мы должны доказать неравенство Коши-Буняковского 2.5.

Чтобы доказать его, рассмотрим вектор, где -- произвольное действительное число. Согласно аксиоме 4 скалярного произведения

т.е. для любого

Мы видим, что стоящий слева квадратный относительно трехчлен принимает лишь неотрицательные значения. Следовательно, дискриминант уравнения

не может быть положительным, т.е.

что и требовалось доказать.

Приведем пример неравенства, являющегося следствием неравенства Коши-Буняковского.

Для любых векторов и в евклидовом пространстве имеет место неравенство

Доказательство.

так как (в силу неравенства Коши-Буняковского) , то

т.е. , что и требовалось доказать. (См. также 3, стр.)

Использование векторного неравенства Коши-Буняковского при решении задач по алгебре

В рассматриваемых ниже примерах используется векторное неравенство Коши - Буняковского и его следствие

| · | || · || , (I)

· || · || , (II)

Заметим, что знак «=» достигается а) в неравенстве (I), если векторы и коллинеарны; б) в неравенстве (II), если векторы и сонаправлены.

Пусть векторы и и v имеют координаты: (х1, у1, z1), (x2, y2, z2). Тогда неравенства (I) и (II) примут вид:

Из неравенств(I) и (II) в том случае, когда имеет место знак «=», следует, что = , где 0, что эквивалентно системе

Перейдем теперь к решению примеров

Пример 1. Решить систему уравнений.

Решение. На первый взгляд может показаться, что данная система имеет бесконечное множество решений (три переменных и два уравнения). Однако такое мнение ошибочно. Как будет показано далее, система (1)-(2) имеет единственное решение.

Рассмотрим векторы: и. Тогда

Так как и, то

Учитывая (3) и (4), имеем: и*е= и * е

Следовательно, на основании (3) x=y=z , а с учетом (1) получаем, что х=у=z=

Ответ: (1/3, 1/3, 1/3).

Пример 2. Решить систему уравнений

Решение. Эта система, аналогично предыдущей, на первый взгляд кажется неопределенной, но, в отличие от предыдущей, она не имеет решений.

Положим (x2, y2, z2) и (1; 2; 2). Тогда очевидно, что || = 1, || = и || · || = . Из (6) следует, что · =. Получается · > || · ||, что невозможно. Следовательно, система (5) - (6) решений не имеет.

Пример 3. Решить систему уравнений

Решение. Нетрудно убедиться, что данная система не имеет решений, в которых хотя бы одно переменное было, равно нулю. Поэтому, разделив обе части уравнения (1) на х2у2z2 , мы получаем систему, равносильную данной.

Рассмотрим векторы (,), (x, 2y, z).

Тогда · = 12. Из (1,a) и (2) следует, что || = 4 и || = 3. Таким образом,

· = || · ||. (4)

Из (4) на основании (III) следует, что

откуда y2 = и z2 =. Тогда из уравнения (2) имеем:

откуда х = ± . При этом y = ± и z = ± .

Из полученных значений х, у и z составим восемь троек чисел:

Каждая из приведенных троек является решением уравнений (1) и (2) данной системы. Далее нужно установить, какая из них является решением уравнения (3).

Проверкой убеждаемся, что только две тройки и удовлетворяют уравнению (3) и потому являются решениями данной системы.

Покажем теперь применение неравенств (I) и (II) при доказательстве неравенств.

Пример 4. Доказать, что для произвольных чисел а, b и с справедливо неравенство:

a2b2 + b2c2 + a2c2 abc(a + b + c). (1)

Решение. Введем векторы: (ab, bc, ca) и (ас, аb, bс). Для них имеем:

· = а2bс + аb2c + abс2 = abc(a + b + c), (2)

· = а2b2 + b2c + a2с2. (3)

Из (2) и (3) на основании (II) следует (1).

Пример 5. Доказать, что если а, b, с и d - неотрицательные числа, то имеет место неравенство

Решение. Введем векторы (,) и (,). Тогда

Пример 6. Доказать, что если

Решение. Введем векторы: (х, у) и (1, 1). Тогда

а) Двумерный вариант: Перейдем к новой теме. Как в музыкальном произведении, эта тема будет переплетаться с главной темой, в результате чего в дальнейшем возникнут еще более замечательные выводы.

В первую очередь отметим, что неравенство

на котором основывались все выводы в предыдущих параграфах этой главы (см. § 2 п. б)), является простым

следствием тождества

имеющего место не только для неотрицательных чисел но и для любых действительных чисел Теперь рассмотрим произведение

Произведя умножение, получим многочлен

совпадающий с тем, который получается после раскрытия скобок в выражении

Отсюда получаем

Так как квадрат неотрицателен, то из (4.37) следует неравенство

для любых действительных чисел Это весьма симпатичное неравенство имеет большое значение для многих вопросов анализа и математической физики. Оно называется неравенством Коши или, более точно, двумерным вариантом неравенства Коши.

Из соотношения (4.37) вытекает, что равенство в (4.38) достигается тогда и только тогда, когда

В этом случае говорят, что две пары чисел и пропорциональны. При с условие (4.39)

можно записать следующим образом:

б) Геометрическая интерпретация. Впервые встретясь с тождеством (4.37), читатель вполне естественно и законно заинтересуется, каким же все-таки образом можно было натолкнуться на этот результат. Тождество выражений (4.35) и (4.36) покажется ему ничем не мотивированным, случайным, некоторым "математическим трюком", свидетельствующим лишь об известной "ловкости рук" автора приведенного доказательства.

Нерушимым принципом математики является то, что в ней нет случайных фактов и положений. Каждый результат, какое бы место он ни занимал, находит свое истолкование, благодаря которому этот результат становится прозрачным, само собой разумеющимся. Это истолкование может не сразу броситься в глаза, и оно может быть найдено не сразу. Часто подлинный смысл математической теоремы проясняется только тогда, когда мы посмотрим на нее, так сказать, "сверху", т. е. с точки зрения более общей теории. Однако истолкование, поясняющее смысл теоремы, имеется всегда - и это исключительно важно. Если бы дело обстояло не так, то математика выродилась бы в набор несвязанных формальных трюков и схоластических выкрутасов.

Часто наиболее простое истолкование алгебраического результата имеет геометрический характер. Формулы, которые кажутся совершенно непонятными и сложными, становятся очевидными, когда раскрывается их геометрическое содержание.

Рассмотрим треугольник, изображенный на рис. 21. Очевидно, что длины отрезков и определяются равенствами

Обозначим угол между сторонами и через 0. На основании теоремы косинусов имеем

Подставляя значения и и упрощая полученное выражение, получаем

Поскольку значение косинуса всегда заключено между мы имеем

Возводя в квадрат равенство (4.40) и учитывая (4.41), получаем

и, наконец,

А это ведь опять двумерный вариант неравенства Коши (4.38) - неравенства, ранее казавшегося таким непонятным и странным.

Рис. 21. Геометрическая интерпретация неравенства Коши.

Кроме того, мы видим, что равенство здесь достигается тогда и только тогда, когда т. е. тогда и только тогда, когда или другими словами, в том и лишь том случае, когда точки лежат на одной прямой. При этом должно иметь место равенство подъемов прямых и иначе говоря, если с то должно быть

в) Трехмерный вариант неравенства Коши. Вышеприведенная интерпретация неравенства Коши для двумерного случая хороша еще и тем, что позволяет нам при помощи геометрической интуиции легко сообразить, какой вид будут иметь аналогичные результаты, относящиеся к более сложному случаю любого числа измерений.

Перейдем к случаю обыкновенного или трехмерного пространства (пространства трех измерений). Пусть две точки, несовпадающие с началом координат . Тогда косинус угла 9 между прямыми и будет определяться равенством

которое, в силу того что приводит к трехмерному варианту знаменитого неравенства Коши

Равенство здесь достигается тогда и только тогда, когда три точки лежат на одной прямой, что выражается соотношениями

имеющими смысл при условии, что все числа стоящие в знаменателях, отличны от нуля.

г) Тождество Коши - Лагранжа и -мерный вариант неравенства Коши. Чисто

алгебраическое доказательство трехмерного варианта неравенства Коши (4,42) можно вывести из следующего тождества:

Очевидно, что последнее выражение в (4.43) неотрицательно, так как оно состоит из суммы трех неотрицательных членов. Поэтому

Таким образом, еще одним путем доказано неравенство Коши для трехмерного случая. Из тождества (4.43) видно также, когда неравенство Коши обращается в равенство: последнее выражение в (4.43) равно нулю, лишь если каждое из трех его слагаемых равно нулю, т. е. если все числа пропорциональны.

Если вы впоследствии будете изучать аналитическую геометрию в пространстве, то вы узнаете, что тождество (4.43) - это не что иное, как соотношение

Использование векторного неравенства коши-буняковского при решении задач по алгебре. Различные средние положительных

Скачать:

Предварительный просмотр:

Программа модуля «Методы доказательства неравенств»

Основная образовательная программа высшего профессионального образования подготовки специалиста 050201. 65 (1)

Математика экономического профиля

Неравенство Коши-Буняковского

Использование векторного неравенства Коши-Буняковского при решении задач по алгебре

Как приготовить желе из персиков с желатином

Кабачковое варенье с апельсином и лимоном в мультиварке