不等式的证明方法

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  摘要:不等式的解法。
  关键词:不等式
  Abstract: the method of inequality.
  Keywords: inequality
  中图分类号:G623.5 文献标识码:A 文章编号:2095-2104(2013)
   1.比较法
   (1)作差比较法
  知道a>b⇔a-b>0,a<b⇔a-b<0,因此要证明a>b,只要证明即可,这种方法称为作差比较法.
  (2)作商比较法
  由a>b>0⇔>1且a>0,b>0,因此当a>0,b>0时要证明a>b,只
  要证明>1即可,这种方法称为作商比较法.
  设a,b是非负实数,求证:a3+b3≥(a2+b2).
  证明:由a,b是非负实数,作差得
  a3+b3-(a2+b2)=a2(-)+b2(-)
  =(-)()5-()5).
  当a≥b时,≥, 从而()5≥()5,
  得(-)(()5-()5)≥0;
  当a  得(-)(()5-()5)>0.
  所以a3+b3≥(a2+b2).
  例2.设a>b>0,求证:>
  证明:∵a>b>0,
  ∴a+b>0,a-b>0.
  ∴=·=
  ==1+>1.
  ∴>.
  2.综合法
  从已知条件出发,利用定义、公理、定理、性质等,经过一系列的推理、论证而得出命题成立,即“由因导果”的方法,这种证明不等式的方法称为综合法或顺推法.
  例3设a,b,c>0,且ab+bc+ca=1.
  求证:(1)a+b+c≥;
  (2)++≥(++).
  证明:(1)要证a+b+c≥,由于a,b,c>0,
  因此只需证明(a+b+c)2≥3.
  即证:a2+b2+c2+2(ab+bc+ca)≥3,
  而ab+bc+ca=1,
  故需证明:a2+b2+c2+2(ab+bc+ca)≥3(ab+bc+ca).
  即证:a2+b2+c2≥ab+bc+ca.
  而这可以由ab+bc+ca≤++
  =a2+b2+c2(当且仅当a=b=c时等号成立)证得.
  ∴原不等式成立.
  (2)++=.
  在(1)中已证a+b+c≥.
  因此要证原不等式成立,只需证明≥++,
  即证a+b+c≤1,
  即证a+b+c≤ab+bc+ca.
  而a=≤,
  b≤,c≤.
  ∴a+b+c≤ab+bc+ca(当且仅当a=b=c=时等号成立).
  ∴原不等式成立.
  3.分析法
  证明命题时,我们还常常从要证的结论出发,逐步寻求使它成立的充分条件 ,直至所需条件为已知条件或一个明显成立的事实(定理、公理或已证明的定理、性质等),从而得出要证的命题成立,这种证明方法叫做分析法,这是一种执果索因的思考和证明方法.
  例4. (2011·安徽高考)(1)设x≥1,y≥1,
  证明x+y+≤++xy;
  (2)设1  logab+logbc+logca≤logba+logcb+logac.
  (巧思)对于问题(1),由于不等式的两侧既有整式又有分式,故可考虑先将不等式的两侧均转化为整式,然后利用作差法证明;
  对于问题(2),由于1  证明:(1)由于x≥1,y≥1,
  ∴x+y+≤++xy ⇒⇐ xy(x+y)+1≤y+x+(xy)2.
  将上式中的右式减左式,得
  [y+x+(xy)2]-[xy(x+y)+1]=[(xy)2-1]-[xy(x+y)-(x+y)]=(xy+1)(xy-1)-(x+y)(xy-1)
  =(xy-1)(xy-x-y+1)=(xy-1)(x-1)(y-1).
  既然x≥1,y≥1,所以(xy-1)(x-1)(y-1)≥0,从而所要证明的不等式成立.
  (2)设logab=x,logbc=y,由对数的换底公式得
  logca=,logba=,logcb=,logac=xy.
  于是,所要证明的不等式即为
  x+y+≤++xy,
  又由于1  其中x=logab≥1,y=logbc≥1.
  故由(1)可知所要证明的不等式成立.
  4.反证法
  先假设要证的命题不成立,以此为出发点,结合已知条件,应用公理、定义、定理、性质等,进行正确的推理,得到和命题的条件(或已证明的定理、性质、明显成立的事实等)矛盾的结论,以说明假设不正确,从而证明原命题成立,我们把它称为反证法.
  例5. 已知f(x)=x2+px+q,
  求证:|f(1)|、|f(2)|、|f(3)|中至少有一个不小于.
  证明:假设|f(1)|、|f(2)|、|f(3)|都小于,
  则|f(1)|+2|f(2)|+|f(3)|<2,
  而|f(1)|+2|f(2)|+|f(3)|
  ≥|f(1)+f(3)-2f(2)|
  =|(1+p+q)+(9+3p+q)-(8+4p+2q)|=2,出现矛盾.
  ∴|f(1)|、|f(2)|、|f(3)|中至少有一个不小于.
  5.放缩法
  证明不等式时,通过把不等式中的某些部分的值放或缩简化不等式,从而达到证明的目的,我们把这种方法称为放缩法.
  设a,b是不相等的正数,且a3-b3=a2-b2,求证:1  例6. 设a,b是不相等的正数,且a3-b3=a2-b2,求证:1  证明:∵a>0,b>0且a≠b,
  ∴a3-b3=a2-b2可化為a2+ab+b2=a+b.
  ∵(a+b)2=a2+2ab+b2>a2+ab+b2=a+b.∴a+b>1.
  又∵(a+b)2>4ab.
  ∴a+b=a2+b2+ab=(a+b)2-ab>(a+b)2-(a+b)2.
  即(a+b)2  ∴a+b<.∴1  6.数学归纳法
  用数学归纳法证明不等式的关键是由n=k时成立推证n=k+1时也成立,用上归纳假设后,可以采用分析法、综合法、比较法、放缩法等方法去证明,以前学过的证明不等式的方法都可以应用.
  例7. 设{xn}是由x1=2,xn+1=+(n∈N*)定义的数列.
  求证:不等式<xn<+(n∈N*).
  证明:∵x1=2,由xn+1=+,
  ∴xn>0.∴xk+1=+>2 =.
  所以xn>(n∈N*)显然成立.
  下面证明:xn<+(n∈N*).
  (1)当n=1时,x1=2<+1,不等式成立.
  (2)假设当n=k(k≥1,k∈N*)时,不等式成立,即xk<+,又∵xk>,∴<,
  那么,当n=k+1时,xk+1=+<++=+≤ +,
  即xk+1<+.即n=k+1时,结论也成立.综合(1)(2)知,结论成立.
  7.柯西不等式
  使用柯西不等式的一般形式求最值时,关键是结合已知条件构造两个适当的数值,变形为柯西不等式的形式
  例8.若a,b,c∈R+,且a+b+c=6,求++
  的最大值.
  解:由柯西不等式得
  (++)2
  =(1×+1×+1×)2
  ≤(12+12+12)(2a+2b+1+2c+3)
  =3(2×6+4)=48.
  ∴++≤4.
  当且仅当==,
  即2a=2b+1=2c+3时等号成立,
  又a+b+c=6,∴a=,b=,c=时,
  ++有最大值4.
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