柯西不等式在证明中的应用

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  柯西不等式是高中数学教材4-5《不等式选讲》的内容,虽然高考对柯西不等式的考查要求不高,但是它在不等式的证明、求最值中应用广泛。下面就来谈谈柯西不等式在不等式证明中的应用。
  1.柯西不等式:
  设a1,a2,…,an与b1,b2,…,bn是两组实数,则有:
  (a1b1+a2b2+…+anbn)2≤(a21+a22+…+a2n)(b21+b22+…+b2n)。
  当向量(a1,a2,…,an)与(b1,b2,…,bn)共线时,等号成立。
  2.柯西不等式的变形:
  设ai∈R,bi∈R+(i=1,2,3,…,n),则a21b1+a22b2+…+a2nbn≥(a1+a2+…+an)2b1+b2+…+bn,
  当且仅当ai=λbi(i=1,2,…,n)时等号成立。
  3.柯西不等式在证明中的应用:
  题目:已知x1,x2,x3,…,xn∈R+。
  求证:x21x2+x22x3+…+x2nx1≥x1+x2+…+xn+4(x1-x2)2x1+x2+…+xn。
  思路分析:从恒等式x2+y2-2xy=(x-y)2的变形入手,探究问题的解答思路。
  证明:因为 x2+y2-2xy=(x-y)2,
  所以x2y=2x-y+(x-y)2y。
  因此,有x21x2=2x1-x2+(x1-x2)2x2;
  x22x3=2x2-x3 +(x2-x3)2x3;
  ……
  x2n-1xn=2xn-1-xn+(xn-1-xn)2xn;
  x2nx1=2xn-x1+(xn-x1)2x1。
  把以上式子叠加得:
  x21x2+x22x3+…+x2nx1
  =x1+x2+…+xn+(x1-x2)2x2+(x2-x3)2x3+…+(xn-1-xn)2xn+(xn-x1)2x1。
  應用柯西不等式的变形得:
  (x1-x2)2x2+(x2-x3)2x3+…+(xn-1-xn)2xn+(xn-x1)2x1
  ≥(x1-x2)2x2+
  [(x2-x3)+…(xn-1-xn)+(xn-x1)]2x3+x4+…+xn+x1
  =(x1-x2)2x2+(x2-x1)2x3+x4+…+xn+x1
  =(x1-x2)2·1x2+1x3+x4+…+xn+x1
  ≥(x1-x2)2·(1+1)2x1+x2+…+xn
  =4(x1-x2)2x1+x2+…+xn。
  又因为x21x2+x22x3+…+x2nx1
  =x1+x2+…+xn+(x1-x2)2x2+(x2-x3)2x3+…+(xn-1-xn)2xn+(xn-x1)2x1,
  所以x21x2+x22x3+…+x2nx1
  ≥x1+x2+…+xn+4(x1-x2)2x1+x2+…+xn。
  证毕。
  点评:本题是不等式的证明,难度较大,主要利用恒等式x2+y2-2xy=(x-y)2的变形以及柯西不等式的变形来证明。
  作者单位:湖南省常宁市第一中学
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