Муниципальное общеобразовательное учреждение
Средняя общеобразовательная школа № 4
Секция: математика
ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА
по теме
Доказательства неравенств с
помощью одномонотонных
последовательностей
Позолотина Наталья Андреевна, 9б класс,
МОУ СОШ №4 Центрального района.
224-49-85
Руководитель: Тропина Наталья
Валерьяновна,
кандидат педагогических наук,
доцент кафедры математического анализа
НГПУ.
(Работа выполнена в МОУ СОШ №4)
1
Содержание
Введение………………………………………………………...
§1. Основные понятия и определения……………………...
§2. Обоснование метода одномонотонных
последовательностей для случая с произвольным числом
переменных ……………………………………………………
2.1 Доказательство неравенств с минимальным
числом переменных…………………………………………….
2.2 Случай с двумя последовательностями из двух
переменных……………………………………………………...
Упражнения…………………………………………………..
2.3 Случай с двумя последовательностями из трех
переменных……………………………………………………...
Упражнения………………………………………………….
2.4 Случай с двумя последовательностями из n
переменных……………………………………………………...
Упражнения…………………………………………………..
2.5 Случай с n последовательностями из n
переменных……………………………………………………...
Упражнения…………………………………………………..
Заключение……………………………………………………..
Список использованной литературы………………………..
2
3
4
6
6
6
7
8
9
11
13
14
16
17
17
Введение.
В школьном курсе математике мы изучали доказательства неравенств в
основном двумя способами:
сведение к очевидному с помощью равносильных преобразований;
графически (исследование свойств и построение графиков
функции)
Не существует универсального способа доказательства всех неравенств, и
более того, не существует конкретных указаний для выбора способа
доказательства. Поэтому любой новый способ доказательства неравенств
представляет особый интерес.
В данном работе мы рассмотрим один из таких способов: доказательство
неравенств с помощью одномонотонных последовательностей.
Работа состоит из 2-х параграфов. В первом параграфе я объясняю
основные определения, которые нам понадобятся для работы. Во втором
параграфе находится основная работа с примерами и упражнениями.
3
§ 1. Основные понятия и определения
В данном параграфе мы рассмотрим основные понятия и определения,
которые нам понадобятся для дальнейшей работы.
Определение 1. Множество – это совокупность, собрание, набор
некоторых объектов по какому – либо общему для них признаку.
Определение 2. Натуральные числа N – это целые положительные числа
1, 2, 3, 4, 5,…
Определение 3. Целые числа Z – это числа 0, +1, +2, +3, +4, +5…:
Z = N -N {0}
Определение 4. Рациональные числа Q – это числа представимые
обычными дробями в виде
m
, где m є Z , n є N (или конечными, или
n
бесконечными периодичными дробными).
Определение 5. Иррациональные числа I – это числа, представимые
бесконечными непериодическими десятичными дробями и непредставимые в
виде
m
.
n
Определение 6. Вещественные (действительные) числа R – объединение
множества рациональных и иррациональных чисел.
R=Q I
Определения 7. Неравенство – соотношение между величинами,
показывающее, что одна величина больше или меньше другой.
Например: ху 25 , 25 у 13х
Известно, что все неравенства подчиняются определенным свойствам,
таким как:
а) a<b, b<c a<c
b) a b, b a a=b
c) a b a+c b+c
d) a 0 -a 0
Определения 8. Доказать неравенство – установить истинность
неравенства.
Неравенства бывают разными: с одной, двумя и более переменными, со
степенями. Ля каждого неравенства существует свой способ доказательств.
Мы рассмотрим еще один способ: через одномонотонные
последовательности.
Определение 9. Следствие – из двух неравенств одно является
следствием другого, если область истинности второго неравенства содержит
в себе область истинности первого неравенства.
Обозначение: f1(x)>f2(x) φ1(x)>φ2(x) – второе неравенство – следствие
первого.
Определение 10. Два неравенства называются равносильными, если
каждое из них является следствием другого. Иначе это можно
4
сформулировать так: два неравенства считаются равносильными, если их
множества значений переменных, для которых они истинны, совпадают.
Обозначаются равносильные неравенства: f1(x)>f2(x) φ1(x)>φ2(x)
Эти определения аналогичны соответствующим определениям для
уравнений. Как и для уравнений, можно сформулировать утверждения о
действиях, преобразующих данное неравенство в равносильное ему. Такими
действиями могут быть:
– прибавление к обеим частям неравенства одного слагаемого;
– перенос слагаемого с противоположным знаком из одной части
неравенства в другую;
– умножение обеих частей на положительное число или положительную
функцию и т.д.
Следует, однако, производя эти действия, следить, чтобы не изменилась
область допустимых значений, так как иначе будет нарушена равносильность
этих неравенств.
Определение 11. Метода математической индукции – метод
доказательства неравенств, путем схожести доказательств от самого легкого
к самому сложному.
Например, Р(n) – некоторое утверждение, зависимое от n є N
1) Проверяем правдивость Р(1)
2) Предполагаем, что P(k) истинно
3) Доказываем истинность Р(k+1)
4) Заключаем, что Р(n) истинно для любых n.
Определение 12. Одномонотонные последовательности – это
последовательности чисел вида (а1 а2 … аn)(b1 b2 … bn) записанных в виде
таблицы, где наибольшее из чисел а1 а2 … аn находится над наибольшим
числом из чисел b1 b2 … bn и второе по величине из чисел а1 а2 … аn над
вторым по величине из чисел b1 b2 … bn и т.д., другими словами обе
последовательности одновременно возрастающие или одновременно
убывающие.
Определение 13. Произведение одномонотонных последовательностей
(а1, а2, …аn), (b 1, b2,…bn), …( d 1, d 2,…, d n) это число вида
a1 a2 ... a n
b b ... b
n
1 2
.......... ....... = а1b1…d1+а2b2…d2+ …+anbn…dn
d1 d 2 ... d n
5
§ 2. Обоснование метода одномонотонных
последовательностей для случая с произвольным числом
переменных
Данный параграф разбит на пункты, в которых мы попробуем прийти к
самому общему доказательству, для случая k последовательностей с n числом
переменных, с помощью метода математической индукции.
2.1. Доказательство неравенств с минимальным числом переменных.
а1*b1 – неравенство с минимальным числом переменных. Тогда
а1
b = a1b1.
1
Так как это неравенство минимальное из всех существующих, то
сравнивать с похожим неравенством его просто невозможно.
2.2 Случай с двумя последовательностями из двух переменных
а1 а2
а1
Если = a1b1. то
=а1b1+а2b2
b1 b2
b1
Теорема 1. Пусть (а1а2) (b1b2) – одномонотонные
последовательности. Тогда
а1 а2 а1 а2
b b b b
1 2 2 1
Доказательство
Действительно,
а1 а2 а1 а2
b b – b b =a1b1+a2b2-a1b2-a2b1 = (a1-a2) (b1-b2)
1 2 2 1
Так как последовательности (а1а2)(b1b2) одномонотонны, то числа a1-a2 и b1b2 имеют одинаковый знак. Поэтому
(a1-a2) (b1-b2) 0.
Теорема доказана.
6
Упражнения
Данные ниже упражнения мы решим с помощью Теоремы 1
Упражнение №1.
Пусть a и b – положительные вещественные числа.
Доказать неравенство
a3 +b3 a2b+b2a.
Доказательство.
Заметим, прежде всего, что
a 2 b 2
a 2 b 2
2
2
,
a
b+b
a
=
a b
b a
a3 +b3 =
А так как последовательности (a2, b2), (a, b) одномонотонны, то
a 2 b 2 a 2 b 2
a b b a
А это значит, что a3 +b3 a2b+b2a.
Что и требовалось доказать.
Докажем это же неравенство, но другим способом.
a 3 b 3 a 2b b 2 a a 3 a 2b b 3 b 2 a 0
a a b b a b 0 a a b b a b 0
a b a b 0 a ba b 0
3
2
2
2
2
3
2
2
2
Значит a3 +b3 a2b+b2a.
Что и требовалось доказать.
Мы не можем сказать какой из методов доказательства решения легче,
так как в данном случае оба метода решения неравенства примерно
одинаковые по сложности.
Упражнение №2.
Пусть a и b – положительные вещественные числа.
Доказать неравенство.
а3 b3
а2+b2.
b
a
Доказательство.
Заметим, прежде всего, что
a 3
а2+b2 = 1
a
b3
1 ,
b
a 3 b 3
а3 b3
1
1,
b
a
a
b
1 1
А так как последовательности ( a 3 , b 3 ), ( , ) одномонотонны, то
b a
3
3
3
a
b3
b a
1 1
1 .
1
b
b
a a
Что и требовалось доказать.
7
2.3 Случай с двумя последовательностями из трех
переменных
Рассмотрим последовательность (а1,а2,а3) и (b 1, b2,b3), и запишем в виде
таблицы
a1 a 2 a3
b1 b2 b3
Если последовательность (а1,а2,а3) (b1, b2 ,b3) записанных в виде
таблицы, где наибольшее из чисел а1,а2,а3 находиться над наибольшим из
чисел b 1,b2,b3, а второе по величине а1,а2,а3 находиться над вторым по
величине из чисел b 1,b2,b3 , и где наименьшее из чисел а1,а2,а3 находиться
над наименьшим из чисел b 1,b2,b3 то последовательность одномонотонная.
а1 а2
а1
a1 a2 a3
Если =a1b1, и
=а
b
+а
b
,
то
1 1 2 2
b b b =а1b1+а2b2+a3b3
b1 b2
b1
1 2 3
Для доказательства следующих теорем нам понадобится одно свойство
одномонотонных последовательностей, которое оформим в виде леммы.
Лемма. Если (а1, а2, …аn) и (b 1, b2,…bn) одномонотонные
последовательности, то их произведение не изменится при перестановки
местами столбцов.
Доказательство.
Рассмотрим последовательность с двумя переменными из двух
переменных.
а1 а2
b b =а1b1+а2b2. Заметим, что а1b1+а2b2 = а2b2+ а1b1 по
1 2
переместительному свойству сложения. Значит, в самой таблице мы тоже
можем переставлять столбцы переменных, при этом сохраняется
одномонотонность последовательности. То есть
а1 а2 a 2 a1
b b = b b
1 2 2 1
Теперь рассмотрим последовательность с двумя последовательностями
из трех переменных.
a1 a2 a3
b b b =а1b1+а2b2+a3b3. Кроме того, что мы можем поменять
1 2 3
переменные по переместительному свойству, а по сочетательному свойству
мы можем объединять некоторые слагаемые, сохраняя одномонотонность
последовательности. То есть
a a 2 a1
b
b
b
3 2 1
а1b1+а2b2+a3b3= (a3b3+а2b2)+ а1b1 = 3
Лемма доказана
8
Теорема 2. Пусть (а1 а2 а3), (b1 b2 b3) – одномонотонные
последовательности и ( b1 b2 b3 )(здесь и в дальнейшем) любая
перестановка чисел b1 b2 b3. Тогда
a1 a 2 a3
a1 a2 a3
b b
b b b .
1 2 b3
1 2 3
Доказательство.
Действительно, если последовательность b1 b2 b3 отличается от (b1
b2 b3) то найдется пара чисел k, l (1 k<l 3) такая, что последовательности
(ak, al) и (bk, bl) не одномонотонны. Значит, поменяв местами числа bk и bl ,
a1 a 2 a 3
. То есть
b1 b2 b3
мы увеличим всю сумму, а значит и всю сумму
a m
b
m
al a m a k al
a m a k al a m a k al
, так как
b b b .
bk bl bm bl bk
b
b
b
l
k
m k
m l
Очевидно, что за конечное число попарных перестановок элементов 2-ой
строки можно получить одномонотонную последовательность.
Теорема доказана
ak
Упражнения
Данные ниже упражнения мы решим с помощью Теоремы 2
Упражнение №1.
Пусть a и b и c – положительные вещественные числа.
Докажите неравенство.
a3+b3+c3 a2b+b2c+c2a.
Доказательство.
Заметим, прежде всего, что
a 2 b 2 c 2 2
a 2 b 2 c 2
2
2
,
a
b+b
c+c
a
=
a b c
b c a
a3+b3+c3=
А так как последовательности (a2, b2, c2), (a, b , c) одномонотонны, то
a 2 b 2 c 2 a 2 b 2 c 2
.
a b c b c a
А это значит, что a3+b3+c3 a2b+b2c+c2a.
Что и требовалось доказать.
9
Упражнение №2.
Пусть a и b и c – положительные вещественные числа.
Докажите неравенство.
a
b
c
3
.
bc ca ab 2
Доказательство.
Заметим, прежде всего, что
b
c
a
a
b
c
1
1
1
bc ca ab
b c c a a b
1
1
1
и (a, b, c) и (
) одномонотонные последовательности, то
,
,
bc ca ab
b
c a
b
c
a
1
1
1 1
1
1 ,
b c c a a b c a a b b c
b
c a
b
c
a
1
1
1 1
1
1 .
b c c a a b a b b c c a
Складывая эти неравенства, мы получаем
b
c
a
b
c
a
b
c
a
2
.
bc ca a b ca ab bc a b bc ca
Отделим дроби с одинаковым знаменателем в правой части
b
c c
a a
b b
c
a
2
.
bc ca ab ca ca ab ab bc bc
Вычислив, получаем
b
c
a
b
c
3
a
2
.
3
bc ca ab 2
bc ca a b
a
b
c
3
А это значит, что
bc ca ab 2
Что и требовалось доказать
10
2.4 Случай с двумя последовательностями из n переменных
Рассмотрим одномонотонные последовательность (а1, а2, …аn) и (b 1,
b2,…bn)
а1 а2
а1
a1 a2 ... an
Если =a1b1, и
=а1b1+а2b2, то
=а1b1+а2b2…anbn
b1 b2
b1
b1 b2 ... bn
Теорема 3. Пусть (а1 а2 … аn), (b1 b2 … bn) – одномонотонные
последовательности и ( b1 b2 ... bn )перестановка чисел b1 b2 … bn. Тогда
a1 a 2 ... a n a1 a2 ... a n
b b .... b b b ... b .
n
n
1 2
1 2
Доказательство.
Действительно, если последовательность ( b1 b2 ... bn ) отличается от (b1
b2 … bn) то найдется пара чисел k, l (1 k<l n) такая, что последовательности
(ak, al) и (bk, bl) не одномонотонны. Значит, поменяв местами числа и bk и
a1 a 2 ... a n
. То есть
b1 b2 ... bn
bl , мы увеличим всю сумму, а значит и всю сумму
am ... ak al ...a n a m ... ak al ... a n
b ... b b ... b b ... b b ... b , так как
m k l n m l k n
am ...an ak al am ...an ak al
b ...b b b b ...b b b .
l
k
m n k
m n l
Очевидно, что за конечное число попарных перестановок элементов 2-ой
строки можно получить одномонотонную последовательность.
Теорема доказана.
Следствие.
Для любого n N верно
a
a1 a 2
... n n .
a 2 a3
a1
Доказательство.
a1 a 2 ... a n
an
a1 a 2
...
1 1
1
...
a 2 a3
a1
a 2 a3 a1
a1 a 2 ... a n
n1 1
1 .
...
a1 a 2 a n
11
Но последовательности (а1 а2 … аn) и (
1 1
1
,
, ... ,
) не являются
a1 a 2
an
одномонотонными, и поэтому мы не можем воспользоваться теоремой 3.
Однако эти последовательности противомонотонны: числа в
последовательностях расположены в обратном порядке – самому большому
по величине соответствует самое маленькое, а самому маленькому
соответствует самое большое. А из противомонотонных
последовательностей сделать одномонотонные очень просто – достаточно
все числа второй линии взять со знаком минус. В данном случае
одномонотонными являются последовательности
(а1 а2 … аn) и (
1
1
1
,
, ... ,
)
a1
a2
an
Поэтому
a 2 ... a n a1
a 2 ... a n
a1
1
1
1 1
1
1
...
...
a n a 2
a3
a1
a1 a 2
Отсюда и следует искомое неравенство.
Следствие.
Для любого n N верно
n a1 b1 a 2 b2 ... a n bn a1 a 2 ... a n b1 b2 ... bn
(Неравенство Чебышева).
Доказательство.
В силу теоремы 3 справедливы следующие n неравенства
a 2 ... a n
a1 a 2 ... a n a1
b b ...b b
n
1 2
k 1 bk 2 ...bk
Значит
a 2 ... a n
a1 a 2 ... a n a1
b b ...b b
n
1 2
k 2 bk 3 ...bk 1
…………………………………
a 2 ... a n
a1 a 2 ... a n a1
b b ...b b
n
1 2
k 1 bk ...bk 2
В этих неравенствах левая часть не изменяется, а в правой части
элементы второй строки меняются циклически.
Складываем все и получаем
n a1 b1 a 2 b2 ... a n bn a1 a 2 ... a n b1 b2 ... bn
Что и требовалось доказать
12
Упражнение №1.
Пусть a и b и c – положительные вещественные числа.
Докажите неравенство.
a3+b3+c3+d3 a2b+b2c+c2d+d2a.
Доказательство.
Заметим, прежде всего, что
a 2 b 2 c 2 d 2 2
a 2 b 2 c 2 d 2
2
2
2
a +b +c +d =
, a b+b c+c d+d a =
.
a b c d
b c d a
3
3
3
3
А так как последовательности (a2, b2, c 2, d3), (a, b , c, d) одномонотонны,
то
a 2 b 2 c 2 d 2 a 2 b 2 c 2 d 2
.
a
b
c
d
b
c
d
a
3
3
3
3
А это значит, что a +b +c +d a2b+b2c+c2d+d2a.
Что и требовалось доказать.
Доказательство этого неравенства с помощью одномонотонных
последовательностей я не могу сравнить с другим доказательством, так
как доказать другим способом это неравенство я не смогла.
13
2.5 Случай с n последовательностями из n переменных
Рассмотрим одномонотонные последовательность (а1, а2, …аn), (b1,
b2,…bn), …(d 1, d 2,…, d n).
а1 а2
а1
a1 a2 ... an
Если =a1b1, и
=а1b1+а2b2, и
=а1b1+а2b2…anbn,
b1 b2
b1
b1 b2 ... bn
a1 a2 ... a n
b b ... b
n
1 2
то .......... ....... = а1b1…d1+а2b2…d2+ …+anbn…dn
d1 d 2 ... d n
Теорема 4. Рассмотрим одномонотонные последовательности
(а1, а2, …аn), (b 1, b2,…bn), …, (d1, d2,…,dn). Тогда
a1 a2 ... a n a1 a2 ... a n
b b ... b b b ... b
n
n
1 2
1 2
.......... ....... .......... ....... .
d1 d 2 ... d n d1 d 2 ... d n
Доказательство.
Действительно, если последовательность (a1, а2, …аn), (b'1, b'2,…b'n), …,
(d'1, d'2,…,d'n) отличается от (а1, а2, …аn), (b 1, b2,…bn), …, (d1, d2,…,dn), то
найдутся переменные k, l (1 k<l n) такие, что последовательности (ak, al) и
(bk, bl) …(dk, dl) не одномонотонны. Значит, поменяв местами числа bk , bl , ak,
a1 a2 ... a n
b b ... b
n
1 2
al … dk, dl мы увеличим всю сумму, а значит и всю сумму .......... ....... . То
d
d
...
d
n
1 2
a1 a 2 ... a k al ... a n a1 a 2 ... a k al ... a n
b b ... b b ... b b b ... b b ... b
k
l
n
k
l
n
1 2
1 2
есть .......... .......... .......... .. .......... .......... .......... .. , так как
d1 d 2 ... d k d l ... d n d1 d 2 ... d k d l ... d n
a1 a 2 ... an ak al a1 a2 ... an ak al
b b ... b
bk bl b1 b2 ... bn bk bl
n
1 2l
.......... ....... ......... .......... ....... ......... .
d1 d 2 ... d d k d l d1 d 2 ... d n d k d l
Очевидно, что за конечное число попарных перестановок элементов n-ой
строки можно получить одномонотонную последовательность.
Теорема доказана.
14
Пример
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
4 5 8 7 4 5 8 7 4 5 7 8 4 5 7 8
9 10 13 11 9 10 13 11 9 10 13 11 9 10 13 11
мы поменяли местами пару чисел 7 и 8 из 2 ой переменной
1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4
4 5 8 7 4 5 7 8 4 5 7 8 4 5 7 8
9 10 13 11 9 10 13 11 9 10 11 13 9 10 11 13
мы поменяли местами пару чисел 11 и 13 из 3 ей переменной
1 2 3 4 1 2 3 4
4 5 8 7 4 5 7 8
9 10 13 11 9 10 11 13
так за 2 хода из неодномонотонной последовательности мы селали одномонотонную.
15
Упражнение 1
Пусть а 1 , а 2 , …а n - положительные вещественные числа.
Докажите, что
a 1 a 2 ... a n n
a1 a 2 ... a n .
n
Это неравенство называется неравенством Коши о среднем
арифметическом и среднем геометрическом. Докажем его двумя
способами
Доказательство.
Перепишем его в виде:
x1n x2n ... xnn nx1 x2 ... xn , введя новые переменные
xi n ai (i 1, 2, ..., n)
Имеем
x1 x2 ... xn x1 x2 ... xn
x x ... x x x ... x
n
1
n
n
n
x1 x2 ... xn 1 2
2 3
nx1 x2 ... xn
.......... ....... .......... .......
x1 x2 ... xn xn x1 ... xn 1
a1 a2 ... an n
a1a 2 ... a n G.
n
Доказательство.
Можно считать, что а1 а 2 ... а n . Рассмотрим
наборы чисел
a a ...a
а1 a1 a2
;
; ... 1 2 n n 1
2
G G
G
2
G G
Gn
;
; ...
1
а1 a1 a2
a1 a2 ...a n
Эти наборы противоположно упорядочены. Поэтому,
a1 a2 ...a n
a a ...a
a1 G a1 G 2
a
a G
Gn
n
...
1 1 1 ... 1 2 n n
n
G a1 G a1 a2
a1 a 2 ...a n G
G a1
G
G
a a ... an
G n1
1 2
.
a1 a2 ...a n1
G
a1 a2 ... an
G
G na1 a2 ... an
n
Что и требовалось доказать
Если сравнить эти два доказательства неравенства, можно
заметить, что доказательство с помощью одномонотонных
последовательностей гораздо легче в сравнении с доказательством
Коши.
16
Заключение
Работая по данной теме, я узнала новый способ доказательства
неравенств, вспомнила уже изученные способы доказательства
неравенств. Все упражнения в работе я решала сама.
Список использованной литературы
1. Большой справочник школьника. 5 – 11 кл. М. Дрофа, 2001 г.
2. В.В. Зайцев, В.В. Рыжков, М.И. Сканави. Элементарная
математика (повторительный курс). М., Наука. 1976 г.
3. Р. Б. Алексеев, Л. Д. Курлядчик. Нетрадиционные способы
доказательства традиционных неравенств. /Математика в школе.
1991 г. №4
4. Л. Пинтер, Й. Хегедыш. Упорядоченные наборы чисел и
неравенства. /Квант. 1985 г. №12.
17