柯西不等式推论的应用

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  摘要:对柯西不等式基本形式、推论作了归纳,然后给出了其推论的应用。
  关键词:不等式;应用;柯西不等式
  1.引言
  柯西不等式[1]是数学中一个非常重要的不等式,它结构对称和谐,具有较强的应用性,深受人们的喜爱.它的推论也比较多,本文主要介绍其四个推论及其应用.
  2.柯西不等式的推论
  2.1柯西不等式的基本形式
  柯西不等式已知ai,bi∈Ri=1,2,…,n,则∑ni=1aibi2≤∑ni=1a2i∑ni=1b2i,当且仅当a1b1=a2b2=…=anbni=1,2,…,n时等号成立.
  2.2柯西不等式的推论
  下面给出它常见的四个推论.
  推论1[2]设a1,a2,…,an是实数,则n∑ni=1a2i≥∑ni=1ai2,等号成立当且仅当a1=a2=…=an.
  推论2[2]设a1,a2,…,an是正实数,则∑ni=1ai∑ni=11ai≥n2,等号成立当且仅当a1=a2=…=an.
  推论3[3]已知aii=1,2,…,n是正数,xi∈Ri=1,2,…,n且∑ni=1ai=1,则
  ∑ni=1x2iai≥∑ni=1xi2.
  推论4[3]已知aii=1,2,…,n是正数,xi∈Ri=1,2,…,n且∑ni=1ai=1,则
  ∑ni=1aix2i≥∑ni=1aixi2.
  3.主要结果
  3.1应用推论一
  例1已知:x1,x2,…,xn∈R,满足
  x1+x2+…+xn=aa>0,且x21+x22+…+x2n=a2n-1n≥2,n∈N,
  求证:0≤xi≤2ani=1,2,…,n.
  证明由x1+x2+…+xn=a得,a-xn=x1+x2+…+xn-1,由推论一得,
  a-xn2=∑n-1i=1xn2≤n-1∑n-1i=1x2n=n-1a2n-1-x2n
  故(a-xn)2a2-(n-1)x2n,所以0xn2an。
  由x1,x2,…,xn的对称性,有0≤xi≤2ani=1,2,…,n.
  3.2应用推论二
  例2非零实数a1,a2,…,an满足a1+a2+…+an=1,求证:
  y=a11+a2+a3+…+an+a21+a1+a3+…+an+…+an1+a1+a2+a3+…+an-1
  有最小值并求之。
  解a1+a2+…+an=1由,得
  a11+a2+a3+…+an+1=1+a1+a2+a3+…+an1+a2+a3+…+an=22-a1
  同理可得
  a21+a1+a3+…+an+1=1+a1+a2+a3+…+an1+a1+a3+…+an=22-a2
  an1+a1+a2+a3+…+an-1+1=1+a1+a2+a3+…+an-1+an1+a1+a2+a3+…+an-1=22-an.
  将上面n个等式相加得:
  a11+a2+a3+…+an+a21+a1+a3+…+an+…+an1+a1+a2+a3+…+an-1+n
  =22-a1+22-a2+…+22-an
  即
  y+n=∑ni=122-ai=2∑ni=112-ai(其中i=1,2,…,n).
  又因为,故由推论二可得
  ∑ni=12-ai·∑ni=112-ai≥n2即2n-1·y+n2≥n2.
  所以有yn2n-1,等号当且仅当a1=a2=…=an=1n时成立,所以y有最小值n2n-1.
  3.3应用推论三
  例3求证:a2b+c-a+b2c+a-b+c2a+b-c≥a+b+c,其中a,b,c为ΔABC的三边。
  证明:设x=b+c-a,y=c+a-b,z=a+b-c,
  因为a,b,c为ΔABC的三边,所以x>0,y>0,z>0且x+y+z=a+b+c,即
  xa+b+c+ya+b+c+za+b+c=1。
  故
  a2a+c-a+b2c+a-b+c2a+b-c=a2x+b2y+c2z
  =1a+b+ca2xa+b+c+b2ya+b+c+c2za+b+c,
  则由推论三得
  a2a+c-a+b2c+a-b+c2a+b-c1a+b+c(上转第282页)
  (a+b+c)2=a+b+c,
  故原不等式得证.
  3.4应用推论四
  例4已知正数a,b,c满足a+b+c=1,求证:a3+b3+c3≥a2+b2+c23
  证明:由于正数a,b,c满足a+b+c=1,故由推论四可得:
  a2+b2+c2=3·13a2+13b2+13c2
  ≥3·13a+13b+13c2
  =3·a+b+c32
  =13,
  而a3+b3+c3=a·a2+b·b2+c·c2,故由推论四可得
  a3+b3+c3≥a·a+b·b+c·c2
  =a2+b2+c22
  =a2+b2+c2a2+b2+c2.
  综上所述,a3+b3+c3≥13·a2+b2+c2.故原不等式得证.(作者单位:云南大学数学系)
  参考文献:
  [1]谢跃进.柯西不等式应用探讨[J].铜仁职业技术学报(自然科学版).2008,6(6):59.
  [2]蔡玉书.应用柯西不等式证明竞赛中的不等式[J].数学通讯,2010(4):58.
  [3]欧华.柯西不等式的两个推论[J].数学大世界,2002(9).
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