Квант
Разное

Об одном индуктивном методе доказательства неравенств

Берколайко С. Т., Каток С. Б.

33

Ободном индуктивном методе доказательства неравенств

С. Т. Берколайко,
С. Б. Каток

Teорема о среднем арифметическом и среднем геометрическом, утверждающая, что при любых положительных x1,x2,…,xnx_1, x_2, \dots, x_n справедливо неравенство

1n(x1+x2+⋯+xn)≥x1x2…xn,\frac{1}{n} (x_1 + x_2 + \dots + x_n) \geq \sqrt{x_1 x_2 \dots x_n},

относится к числу тех математических фактов, доказательства которых существует менее известны, чем их формулировки. (Другие примеры такого рода: в арифметике — единственное разложения числа на простые множители, в геометрии — теорема о том, что высоты треугольника пересекаются в одной точке.) Между тем существует очень много различных способов доказательства этого замечательного неравенства, в том числе и элементарных (например, в [1] (решение задачи 268) приведено 3 элементарных доказательства, а в начале [5] предлагается 12 разных доказательств). В этой заметке приводится еще одно короткое доказательство по индукции, которое проходит и для других положих неравенств.

Мы должны доказать, что

x1+⋯+xn≥n(x1…xn)1nx_1 + \dots + x_n \geq n (x_1 \dots x_n)^{\frac{1}{n}}

(1)

для всех целых n≥2n \geq 2 и положительных x1,…,xnx_1, \dots, x_n.

Для n=2n=2 это неравенство выглядит так:

x1+x2≥2(x1x2)12x_1 + x_2 \geq 2 (x_1 x_2)^{\frac{1}{2}}

(2)

и сразу следует из очевидного неравенства

(x112−x212)2≥0.(x_1^{\frac{1}{2}} - x_2^{\frac{1}{2}})^2 \geq 0.

Предположим, что для n=kn=k неравенство (1) верно, и докажем его для n=k+1n=k+1.

Для этого рассмотрим такое выражение:

x1+x2+⋯+xk+xk+1+(k−1)(x1x2…xk+1)1k+1.x_1 + x_2 + \dots + x_k + x_{k+1} + (k-1) (x_1 x_2 \dots x_{k+1})^{\frac{1}{k+1}}.

Разобъем эту сумму на две, по kk слагаемых, и оценим какую из них, применяя неравенство (1) для n=kn=k:

x1+x2+⋯+xk≥k(x1…xk)1k,x_1 + x_2 + \dots + x_k \geq k (x_1 \dots x_k)^{\frac{1}{k}},

xk+1+(k−1)(x1…xk+1)1k+1≥k(xk+1x1k−1k+1…xk+1k−1k+1)1k.x_{k+1} + (k-1) (x_1 \dots x_{k+1})^{\frac{1}{k+1}} \geq k (x_{k+1} x_1^{\frac{k-1}{k+1}} \dots x_{k+1}^{\frac{k-1}{k+1}})^{\frac{1}{k}}.

Мы рассматриваем (k−1)(x1x2…xk+1)1k+1(k-1) (x_1 x_2 \dots x_{k+1})^{\frac{1}{k+1}} как сумму (k−1)(k-1) одинаковых слагаемых (x1x2…xk+1)1k+1(x_1 x_2 \dots x_{k+1})^{\frac{1}{k+1}}.

34

Приименяя неравенство (2) к правым частям двух положенных выше неравенств, получаем

k(x1…xk)1k+k(xk+1x1k−1k+1…xkk−1k+1)1k≥2k(x1…xk+1)1k+1,k \left(x_1 \dots x_k\right)^{\frac{1}{k}} + k \left(x_{k+1} x_1^{\frac{k-1}{k+1}} \dots x_k^{\frac{k-1}{k+1}}\right)^{\frac{1}{k}} \geq 2k \left(x_1 \dots x_{k+1}\right)^{\frac{1}{k+1}},

откуда

x1+x2+⋯+xk+1≥(k+1)(x1x2…xk+1)1k+1.x_1 + x_2 + \dots + x_{k+1} \geq (k + 1) \left(x_1 x_2 \dots x_{k+1}\right)^{\frac{1}{k+1}}.

Чтобы «прочувствовать» это алгебраическое преобразование, посмотрим, как оно выглЯudit для n=3n=3:

x1+x2+x3+(x1x2x2)13≥2(x1x2)12+2(x113x213x343)12≥x_1 + x_2 + x_3 + \left(x_1 x_2 x_2\right)^{\frac{1}{3}} \geq 2 \left(x_1 x_2\right)^{\frac{1}{2}} + 2 \left(x_1^{\frac{1}{3}} x_2^{\frac{1}{3}} x_3^{\frac{4}{3}}\right)^{\frac{1}{2}} \geq

≥2⋅2[(x1x2)12(x113x213x343)12]12≥4(x1x2x3)13,\geq 2 \cdot 2 \left[ \left(x_1 x_2\right)^{\frac{1}{2}} \left(x_1^{\frac{1}{3}} x_2^{\frac{1}{3}} x_3^{\frac{4}{3}}\right)^{\frac{1}{2}} \right]^{\frac{1}{2}} \geq 4 \left(x_1 x_2 x_3\right)^{\frac{1}{3}},

откуда x1+x2+x3≥3(x1x2x3)13x_1 + x_2 + x_3 \geq 3 \left(x_1 x_2 x_3\right)^{\frac{1}{3}}. Здесь трижды использовалось неравенство (2).

Примерно таким же способом можно доказать следующее неравенство:

a) a1p+a2p+⋯+anp≥n(a1+a2+⋯+ann)pa_1^p + a_2^p + \dots + a_n^p \geq n \left(\frac{a_1 + a_2 + \dots + a_n}{n}\right)^p,

где nn и pp-натуральные числа, ai>0a_i > 0 (i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n);

b) sin⁡α1+sin⁡α2+⋯+sin⁡αn≤nsin⁡(α1+α2+⋯+αnn)\sin \alpha_1 + \sin \alpha_2 + \dots + \sin \alpha_n \leq n \sin \left(\frac{\alpha_1 + \alpha_2 + \dots + \alpha_n}{n}\right),

где 0<αi<π20 < \alpha_i < \frac{\pi}{2} (i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n);

b) sin⁡α1sin⁡α2…sin⁡αn≤sin⁡n(α1+α2+⋯+αnn)\sin \alpha_1 \sin \alpha_2 \dots \sin \alpha_n \leq \sin^n \left(\frac{\alpha_1 + \alpha_2 + \dots + \alpha_n}{n}\right),

где 0<αi<π20 < \alpha_i < \frac{\pi}{2} (i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n);

г) 1a1p+1a2p+⋯+1anp≥n(a1+a2+⋯+ann)p\frac{1}{a_1^p} + \frac{1}{a_2^p} + \dots + \frac{1}{a_n^p} \geq \frac{n}{\left(\frac{a_1 + a_2 + \dots + a_n}{n}\right)^p},

где pp и nn-натуральные числа, ai>0a_i > 0 (i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n);

д) (a1+b1)(a2+b2)…(an+bn)≥(a1a2…ann+b1b2…bnn)n(a_1 + b_1) (a_2 + b_2) \dots (a_n + b_n) \geq \left(\sqrt[n]{a_1 a_2 \dots a_n} + \sqrt[n]{b_1 b_2 \dots b_n}\right)^n,

где ai>0,bi>0a_i > 0, b_i > 0 (i=1,2,…,ni = 1, 2, \dots, n).

36

Словами, доказать нужное неравенство только для n=2n=2.

А если доказать выпukлость вверх функции lg⁡x\lg x (что свидетелья к доказательству неравенства (2)), то из нашей теоремы, как один из частных случаев, получится теорема о среднем арифметическом и среднем геометрическом:

lg⁡(x1+…+xnn)≤lg⁡x1+…+lg⁡xnn,\lg \left( \frac{x_1 + \ldots + x_n}{n} \right) \leq \frac{\lg x_1 + \ldots + \lg x_n}{n},

т. е.

lg⁡(x1+…+xnn)≤lg⁡(x1…xn)1n,1n(x1+…+xn)≤(x1…xn)1n.\lg \left( \frac{x_1 + \ldots + x_n}{n} \right) \leq \lg \left( x_1 \ldots x_n \right)^{\frac{1}{n}}, \quad \frac{1}{n} \left( x_1 + \ldots + x_n \right) \leq \left( x_1 \ldots x_n \right)^{\frac{1}{n}}.

В заключение мы приведем список книг, в которых можно прочитать другие доказательства теоремы о среднем арифметическом и среднем геометрическом.

[1] Д. О. Шклярский, Н. Н. Ченцов, И. М. Яглом, Избранные задачи и теоремы элементарной математики, ч. I, М., «Наука», 1965.

Обратите внимание на первое из трех приведенных в этой книге доказательств («Обратной индикцией»).

[2] Кречмар, Задачник по алгебре. М., «Наука», 1968.

[3] Э. Беккенбах и Р. Белман, Введение в неравенства, М., «Мир», 1965.

[4] Г. Г. Харди, Д. Е. Литтельвуд, Г. Поляна, Неравенства, ИЛ, 1948.

[5] Э. Беккенбах и Р. Белман, Неравенства, М., «Мир», 1965.

Упражнения

  1. Какое неравенство получится, если применить теорему к функции y=x2y=x^2? Попробуйте доказать это неравенство непосредственно.

  2. Выведите из общей теоремы неравенства a)—д). Выпukлость каких функции надо для этого доказывать?

  3. Придумайте еще несколько примеров выпukлых функции и запишите неравенство, которое получится из теоремы 1 в применении к этим функции.

  4. Функция ff определяна на отрезке [a,b][a, b] и имеет обратную**) функцию gg. Докажите, что если ff выпukлая вверх, то gg выпukлая вниз, и наоборот.

  5. Функция f(x)f(x), заданная на отрезке [a,b][a, b], выпukлая вверх. Докажите, что для любых точек x1,…,xnx_1, \ldots, x_n, лежащих на отрезке [a,b][a, b], и любых положительных a1,…,ana_1, \ldots, a_n выполняется неравенство

a1f(x1)+…+anf(xn)a1+…+an≤f((a1x1+…+anxn)a1+…+an).\frac{a_1 f(x_1) + \ldots + a_n f(x_n)}{a_1 + \ldots + a_n} \leq f\left(\frac{(a_1 x_1 + \ldots + a_n x_n)}{a_1 + \ldots + a_n}\right).

(Заметим, что эта задача является обобщением доказанной ранее теоремы, которая получается при a1=a2=…=an=1a_1=a_2=\ldots=a_n=1.)

Указание. Для решения этой задачи можно использовать тот же прием, который применяется нами при доказательстве теоремы.

*) Можно взять логарифм по любому основанию, большему единицю.
**) См. «Квант», № 1, стр. 22.