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平均数不等式

平均数不等式,或称平均值不等式均值不等式,是数学上的一组不等式,也是算术-几何平均值不等式的推广。它是说:


其中:

当且仅当 ,等号成立。

即对这些正实数:调和平均数几何平均数算术平均数平方平均数(方均根)

简记为:“调几算方

时的情形 编辑

  • 第一个不等号
   
   
   
   
   
  • 第二个不等号
   
   
   
   
  • 第三个不等号
   
   
   

证明方法 编辑

关于均值不等式的证明方法有很多,数学归纳法(第一数学归纳法或反向归纳法)、拉格朗日乘数法、琴生不等式法、排序不等式法、柯西不等式法等等,都可以证明均值不等式,在这里简要介绍数学归纳法证明n维形式的均值不等式的方法:

用数学归纳法证明,需要一个辅助结论。

引理:设  ,则 ,且仅当 时取等号。

引理的正确性较明显,条件  可以弱化为  ,可以用数学归纳法证明。

原题等价于: ,当且仅当 时取等号。

 时易证;

假设当 时命题成立,即 ,当且仅当 时取等号。

那么当 时,不妨设   中最大者,则 

  ,根据引理

 ,当且仅当  时,即 时取等号。

此外,人教版高中数学教科书《选修4-5 不等式选讲》也介绍了一个运用数学归纳法的证明方法[1]

先运用数学归纳法证明一个引理:若  是正整数)个正数 的乘积 ,则它们的和 ,当且仅当 时等号成立。

此引理证明如下:

 时命题为:若 ,则 ,当且仅当 时等号成立。命题显然成立。

假设当 时命题成立,则现在证明当 时命题也成立。

若这 个数全部是1,即 ,则命题显然成立。

若这 个数不全是1,则易证明必存在 使 。不妨设 。由归纳假设,因为 ,所以 ,记此式为①式。由 ,知 ,则 ,整理得 ,记此式为②式。①+②得 ,整理得 (此时等号不成立),命题成立。

综上,由数学归纳法,引理成立。

现在为了证明平均值不等式,考虑 个正数 ,它们的积为1,由引理,它们的和 ,当且仅当  时等号成立。

整理即得: ,当且仅当 时等号成立。于是 得证。

利用 ,易证 。考虑 个正数 ,有 ,当且仅当  时等号成立。两边取倒数整理得 ,当且仅当 时等号成立,即 

 等价于 。事实上, 等于 方差,通过这个转化可以证出 ,证明如下。

 

 

 

 

当且仅当 时等号成立。

利用琴生不等式法也可以很简单地证明均值不等式,同时还有柯西归纳法等方法。

参见 编辑

  1. ^ 普通高中课程标准实验教科书 数学 选修4-5 不等式选讲. 人民教育出版社. 2007: 52. ISBN 978-7-107-18675-2. 

平均数不等式, 或称平均值不等式, 均值不等式, 是数学上的一组不等式, 也是算术, 几何平均值不等式的推广, 它是说, 1n1xi, 1nxin, 1nxin, 1nxi2n, displaystyle, ldots, mathbb, rightarrow, dfrac, displaystyle, dfrac, sqrt, prod, dfrac, displaystyle, sqrt, dfrac, displaystyle, 即hn, displaystyle, 其中, 1n1xi, n1x1, displ. 平均数不等式 或称平均值不等式 均值不等式 是数学上的一组不等式 也是算术 几何平均值不等式的推广 它是说 x1 x2 xn R n i 1n1xi i 1nxin i 1nxin i 1nxi2n displaystyle x 1 x 2 ldots x n in mathbb R Rightarrow dfrac n displaystyle sum i 1 n dfrac 1 x i leq sqrt n prod i 1 n x i leq dfrac displaystyle sum i 1 n x i n leq sqrt dfrac displaystyle sum i 1 n x i 2 n 即Hn Gn An Qn displaystyle H n leq G n leq A n leq Q n 其中 Hn n i 1n1xi n1x1 1x2 1xn displaystyle H n dfrac n displaystyle sum i 1 n dfrac 1 x i dfrac n dfrac 1 x 1 dfrac 1 x 2 cdots dfrac 1 x n Gn i 1nxin x1x2 xnn displaystyle G n sqrt n prod i 1 n x i sqrt n x 1 x 2 cdots x n An i 1nxin x1 x2 xnn displaystyle A n dfrac displaystyle sum i 1 n x i n dfrac x 1 x 2 cdots x n n Qn i 1nxi2n x12 x22 xn2n displaystyle Q n sqrt dfrac displaystyle sum i 1 n x i 2 n sqrt dfrac x 1 2 x 2 2 cdots x n 2 n 当且仅当 x1 x2 xn displaystyle x 1 x 2 cdots x n 等号成立 即对这些正实数 调和平均数 几何平均数 算术平均数 平方平均数 方均根 简记为 调几算方 n 2 displaystyle n 2 时的情形 编辑第一个不等号 x1 x2 2 x12 2x1x2 x22 displaystyle left x 1 x 2 right 2 x 1 2 2x 1 x 2 x 2 2 nbsp 0 displaystyle geq 0 nbsp x1 x2 2 x12 2x1x2 x22 displaystyle left x 1 x 2 right 2 x 1 2 2x 1 x 2 x 2 2 nbsp 4x1x2 displaystyle geq 4x 1 x 2 nbsp 1 displaystyle 1 nbsp 4x1x2 x1 x2 2 displaystyle geq frac 4x 1 x 2 left x 1 x 2 right 2 nbsp 1 displaystyle 1 nbsp 2x1x2x1 x2 displaystyle geq frac 2 sqrt x 1 x 2 x 1 x 2 nbsp x1x2 displaystyle sqrt x 1 x 2 nbsp 2x1x2x1 x2 21x1 1x2 displaystyle geq frac 2x 1 x 2 x 1 x 2 frac 2 frac 1 x 1 frac 1 x 2 nbsp 第二个不等号 x1 x2 2 x12 2x1x2 x22 displaystyle left x 1 x 2 right 2 x 1 2 2x 1 x 2 x 2 2 nbsp 0 displaystyle geq 0 nbsp x1 x2 2 x12 2x1x2 x22 displaystyle left x 1 x 2 right 2 x 1 2 2x 1 x 2 x 2 2 nbsp 4x1x2 displaystyle geq 4x 1 x 2 nbsp x1 x22 2 displaystyle left frac x 1 x 2 2 right 2 nbsp x1x2 displaystyle geq x 1 x 2 nbsp x1 x22 displaystyle frac x 1 x 2 2 nbsp x1x2 displaystyle geq sqrt x 1 x 2 nbsp 第三个不等号 x1 x22 2 x12 2x1x2 x224 displaystyle frac x 1 x 2 2 2 frac x 1 2 2x 1 x 2 x 2 2 4 nbsp 0 displaystyle geq 0 nbsp x12 x222 x12 x22 x12 x224 displaystyle frac x 1 2 x 2 2 2 frac x 1 2 x 2 2 x 1 2 x 2 2 4 nbsp 2x1x2 x12 x224 x1 x2 24 displaystyle geq frac 2x 1 x 2 x 1 2 x 2 2 4 frac x 1 x 2 2 4 nbsp x12 x222 displaystyle sqrt frac x 1 2 x 2 2 2 nbsp x1 x22 displaystyle geq frac x 1 x 2 2 nbsp 证明方法 编辑关于均值不等式的证明方法有很多 数学归纳法 第一数学归纳法或反向归纳法 拉格朗日乘数法 琴生不等式法 排序不等式法 柯西不等式法等等 都可以证明均值不等式 在这里简要介绍数学归纳法证明n维形式的均值不等式的方法 用数学归纳法证明 需要一个辅助结论 引理 设A 0 displaystyle A geq 0 nbsp B 0 displaystyle B geq 0 nbsp 则 A B n An nAn 1B displaystyle left A B right n geq A n nA n 1 B nbsp 且仅当B 0 displaystyle B 0 nbsp 时取等号 引理的正确性较明显 条件A 0 displaystyle A geq 0 nbsp B 0 displaystyle B geq 0 nbsp 可以弱化为A 0 displaystyle A geq 0 nbsp A B 0 displaystyle A B geq 0 nbsp 可以用数学归纳法证明 原题等价于 a1 a2 ann n a1a2 an displaystyle left frac a 1 a 2 cdots a n n right n geq a 1 a 2 cdots a n nbsp 当且仅当a1 a2 an displaystyle a 1 a 2 cdots a n nbsp 时取等号 当n 2 displaystyle n 2 nbsp 时易证 假设当n k displaystyle n k nbsp 时命题成立 即 a1 a2 akk k a1a2 ak displaystyle left frac a 1 a 2 cdots a k k right k geq a 1 a 2 cdots a k nbsp 当且仅当a1 a2 ak displaystyle a 1 a 2 cdots a k nbsp 时取等号 那么当n k 1 displaystyle n k 1 nbsp 时 不妨设ak 1 displaystyle a k 1 nbsp 是a1 displaystyle a 1 nbsp a2 ak 1 displaystyle a 2 cdots a k 1 nbsp 中最大者 则kak 1 a1 a2 ak displaystyle ka k 1 geq a 1 a 2 cdots a k nbsp 设S a1 a2 ak displaystyle S a 1 a 2 cdots a k nbsp a1 a2 ak 1k 1 k 1 Sk kak 1 Sk k 1 k 1 displaystyle left frac a 1 a 2 cdots a k 1 k 1 right k 1 left frac S k frac ka k 1 S k left k 1 right right k 1 nbsp 根据引理 Sk kak 1 Sk k 1 k 1 Sk k 1 k 1 Sk kkak 1 Sk k 1 Sk kak 1 a1a2 akak 1 displaystyle left frac S k frac ka k 1 S k left k 1 right right k 1 geq left frac S k right k 1 k 1 left frac S k right k frac ka k 1 S k k 1 left frac S k right k a k 1 geq a 1 a 2 cdots a k a k 1 nbsp 当且仅当kak 1 S 0 displaystyle ka k 1 S 0 nbsp 且a1 a2 ak displaystyle a 1 a 2 cdots a k nbsp 时 即a1 a2 ak ak 1 displaystyle a 1 a 2 cdots a k a k 1 nbsp 时取等号 此外 人教版高中数学教科书 选修4 5 不等式选讲 也介绍了一个运用数学归纳法的证明方法 1 先运用数学归纳法证明一个引理 若n displaystyle n nbsp n displaystyle n nbsp 是正整数 个正数a1 a2 an displaystyle a 1 a 2 a n nbsp 的乘积a1a2 an 1 displaystyle a 1 a 2 a n 1 nbsp 则它们的和a1 a2 an n displaystyle a 1 a 2 a n geqslant n nbsp 当且仅当a1 a2 an 1 displaystyle a 1 a 2 a n 1 nbsp 时等号成立 此引理证明如下 当n 1 displaystyle n 1 nbsp 时命题为 若a 1 displaystyle a 1 nbsp 则a 1 displaystyle a geqslant 1 nbsp 当且仅当a 1 displaystyle a 1 nbsp 时等号成立 命题显然成立 假设当n k displaystyle n k nbsp 时命题成立 则现在证明当n k 1 displaystyle n k 1 nbsp 时命题也成立 若这k 1 displaystyle k 1 nbsp 个数全部是1 即a1 a2 ak 1 1 displaystyle a 1 a 2 a k 1 1 nbsp 则命题显然成立 若这k 1 displaystyle k 1 nbsp 个数不全是1 则易证明必存在i j displaystyle i neq j nbsp 使ai gt 1 aj lt 1 displaystyle a i gt 1 a j lt 1 nbsp 不妨设a1 gt 1 a2 lt 1 displaystyle a 1 gt 1 a 2 lt 1 nbsp 由归纳假设 因为 a1a2 a3 ak 1 1 displaystyle a 1 a 2 a 3 a k 1 1 nbsp 所以a1a2 a3 ak 1 k displaystyle a 1 a 2 a 3 a k 1 geqslant k nbsp 记此式为 式 由a1 gt 1 a2 lt 1 displaystyle a 1 gt 1 a 2 lt 1 nbsp 知a1 1 gt 0 1 a2 gt 0 displaystyle a 1 1 gt 0 1 a 2 gt 0 nbsp 则 a1 1 1 a2 a1 a2 a1a2 1 gt 0 displaystyle a 1 1 1 a 2 a 1 a 2 a 1 a 2 1 gt 0 nbsp 整理得a1 a2 gt 1 a1a2 displaystyle a 1 a 2 gt 1 a 1 a 2 nbsp 记此式为 式 得a1 a2 a1a2 a3 ak 1 gt k 1 a1a2 displaystyle a 1 a 2 a 1 a 2 a 3 a k 1 gt k 1 a 1 a 2 nbsp 整理得a1 a2 ak 1 gt k 1 displaystyle a 1 a 2 a k 1 gt k 1 nbsp 此时等号不成立 命题成立 综上 由数学归纳法 引理成立 现在为了证明平均值不等式 考虑n displaystyle n nbsp 个正数a1a1a2 ann a2a1a2 ann ana1a2 ann displaystyle frac a 1 sqrt n a 1 a 2 a n frac a 2 sqrt n a 1 a 2 a n frac a n sqrt n a 1 a 2 a n nbsp 它们的积为1 由引理 它们的和a1a1a2 ann a2a1a2 ann ana1a2 ann a1 a2 ana1a2 ann n displaystyle frac a 1 sqrt n a 1 a 2 a n frac a 2 sqrt n a 1 a 2 a n frac a n sqrt n a 1 a 2 a n frac a 1 a 2 a n sqrt n a 1 a 2 a n geqslant n nbsp 当且仅当a1a1a2 ann a2a1a2 ann ana1a2 ann displaystyle frac a 1 sqrt n a 1 a 2 a n frac a 2 sqrt n a 1 a 2 a n frac a n sqrt n a 1 a 2 a n nbsp 即a1 a2 an displaystyle a 1 a 2 cdots a n nbsp 时等号成立 整理即得 a1 a2 ann a1a2 ann displaystyle frac a 1 a 2 a n n geqslant sqrt n a 1 a 2 a n nbsp 当且仅当a1 a2 an displaystyle a 1 a 2 cdots a n nbsp 时等号成立 于是Gn An displaystyle G n leq A n nbsp 得证 利用Gn An displaystyle G n leq A n nbsp 易证Hn Gn displaystyle H n leq G n nbsp 考虑n displaystyle n nbsp 个正数1a1 1a2 1an displaystyle frac 1 a 1 frac 1 a 2 frac 1 a n nbsp 有1a1 1a2 1ann 1a1 1a2 1ann 1a1a2 ann displaystyle frac frac 1 a 1 frac 1 a 2 frac 1 a n n geqslant sqrt n frac 1 a 1 cdot frac 1 a 2 cdot cdot frac 1 a n frac 1 sqrt n a 1 a 2 a n nbsp 当且仅当1a1 1a2 1an displaystyle frac 1 a 1 frac 1 a 2 frac 1 a n nbsp 即a1 a2 an displaystyle a 1 a 2 cdots a n nbsp 时等号成立 两边取倒数整理得n1a1 1a2 1an a1a2 ann displaystyle frac n frac 1 a 1 frac 1 a 2 frac 1 a n leqslant sqrt n a 1 a 2 a n nbsp 当且仅当a1 a2 an displaystyle a 1 a 2 cdots a n nbsp 时等号成立 即Hn Gn displaystyle H n leq G n nbsp An Qn displaystyle A n leq Q n nbsp 等价于Qn2 An2 0 displaystyle Q n 2 A n 2 geq 0 nbsp 事实上 Qn2 An2 displaystyle Q n 2 A n 2 nbsp 等于a1 a2 an displaystyle a 1 a 2 ldots a n nbsp 的方差 通过这个转化可以证出Qn2 An2 0 displaystyle Q n 2 A n 2 geq 0 nbsp 证明如下 Qn2 An2 Qn2 2An2 An2 a12 a22 an2n 2a1An 2a2An 2anAnn nAn2n displaystyle Q n 2 A n 2 Q n 2 2A n 2 A n 2 frac a 1 2 a 2 2 ldots a n 2 n frac 2a 1 A n 2a 2 A n ldots 2a n A n n frac nA n 2 n nbsp a12 2a1An An2 a22 2a2An An2 an2 2anAn An2 n displaystyle frac a 1 2 2a 1 A n A n 2 a 2 2 2a 2 A n A n 2 ldots a n 2 2a n A n A n 2 n nbsp a1 An 2 a2 An 2 an An 2n displaystyle frac a 1 A n 2 a 2 A n 2 ldots a n A n 2 n nbsp 0 displaystyle geqslant 0 nbsp 当且仅当a1 a2 an An displaystyle a 1 a 2 cdots a n A n nbsp 时等号成立 利用琴生不等式法也可以很简单地证明均值不等式 同时还有柯西归纳法等方法 参见 编辑算术 几何平均值不等式 幂平均不等式 普通高中课程标准实验教科书 数学 选修4 5 不等式选讲 人民教育出版社 2007 52 ISBN 978 7 107 18675 2 取自 https zh wikipedia org w index php title 平均数不等式 amp oldid 77550451, 维基百科,wiki,书籍,书籍,图书馆,

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