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Apr-4-2008

初等代数证明不等式

Posted by Charlesgao ---> 代数学(Algebra)

如果x和y是正的实数,那么x/y+y/x大于等于2,因为x/y+y/x-2乘以xy等于x^2+y^2-2xy,可以写成(x-y)^2的形式。这个证明当x和y同号时成立。如果x和y异号,那么乘以xy的时候不等式要变号了,所以就不成立了。
下面我们想证明这个不等式:

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对任何正数x,y,z成立。
定义k=x+y+z,左边就可以写成

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分子分母同时除以k,然后再做替换:X=x/k,Y=y/k,Z=z/k,我们得到

http://www.charlesgao.com/wp-content/uploads/2008/04/3budengshi3_49657.gif

这里X+Y+Z=1,而且X,Y,Z<1 这样就转化成了三个(等比数列前N项和(N趋于无穷))的和。
第一项就等于X+X^2+X^3+…
整理一下,我们得到

http://www.charlesgao.com/wp-content/uploads/2008/04/3budengshi4_48874.gif

下面转化为求X^n+Y^n+Z^n的最小值。
消元Z=1-X-Y,然后对X求导

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导数等于0时取得最小值,此时X=1-X-Y=Z。
同理对Y求导可得Y=Z时取得最小值。
所以只有当X=Y=Z=1/3时左边取得最小值,等于3/2,证毕。
其实我们还可以推广到四项:

http://www.charlesgao.com/wp-content/uploads/2008/04/3budengshi6_31282.gif

以致n项(大于等于n/(n-1))。
但是上面的证明用到了微积分,有没有初等的方法呢?就像证明y/x+x/y大于等于2那样,凑成平方?显然,对于三项来说,应该有(x-y),(y-z),(x-z)这三项。不幸的是,这些项的平方和不是我们需要的不等式。然而,我们可以把这三项的平方和分散成两两的平方和,再考虑到对称性和次数,我们就可以得到想要的形式:

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