Kvant

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比较
不同的媒介
两个积极
数字

  1. A·斯科佩茨

众所周知,两个正数aa和bb或两个长度为aa和bb的线段与其算术平均值a+b2\frac{a+b}{2}和几何平均值ab\sqrt{ab}以及ab≤a+b2\sqrt{ab} \leq \frac{a+b}{2}相关(该等式仅适用于a=ba=b)。这个不等式的代数证明非常简单:

(a−b)2≥0,(a+b)2≥4ab,(a-b)^2 \geq 0, (a+b)^2 \geq 4ab,
ab≤(a+b2)2 и ab≤a+b2.ab \leq \left(\frac{a+b}{2}\right)^2 \text{ и } \sqrt{ab} \leq \frac{a+b}{2}.

几何证明基于直角三角形元素之间的一种度量关系:直角三角形的高度,降低到斜边,是直角三角形腿在斜边上的投影的几何平均值。该高度不超过三角形外接圆的半径,而斜边线段的算术平均值恰好等于该圆的半径。

除了所示的两个间均值之外,还考虑了两个更频繁出现的均值:二次均值 a2+b22\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}} 和调和均值 21a+1b=2aba+b\frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}} = \frac{2ab}{a+b}。

让我们先给出代数证明,然后再给出几何证明

2aba+b≤ab≤a+b2≤a2+b22,\frac{2ab}{a+b} \leq \sqrt{ab} \leq \frac{a+b}{2} \leq \sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}},

并且在所有情况下等号成立当且仅当a=ba=b。让我们用字母 M,N,K,LM, N, K, L 交替表示 (1) 中写出的平均值。我们已经检查了不等式N≤KN \leq K。尚需证明 1) K≤LK \leq L; 2)M≤NM \leq N。

  1. K2−L2=(a+b2)2−a2+b22=−14(a−b)2≤0,K^2 - L^2 = \left(\frac{a+b}{2}\right)^2 - \frac{a^2+b^2}{2} = -\frac{1}{4} (a-b)^2 \leq 0,

即,K≤LK \leq L,K=LK=L仅适用于a=ba=b;

  1. M2−N2=4a2b2(a+b)2−ab=−ab(a−b)2(a+b)2≤0,M^2 - N^2 = \frac{4a^2b^2}{(a+b)^2} - ab = -\frac{ab (a-b)^2}{(a+b)^2} \leq 0,

即,M≤NM \leq N 和M=NM=N 位于a=ba=b。

不等式(1)的有效性已被证明*)。

我们现在来看看这些不等式的几何证明,结果可能是

*) 这些不等式已经在 A. P. Savin 的文章“最大值、最小值和平均定理”(«Kvant» No. 11, 1970)中讨论过。

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在解决几何问题时很有用。

令给定的两个线段为aa和bb。如果a=ba=b,那么通过检查我们确信不等式(1)的有效性。假设a>ba>b并构造一个梯形ABCDABCD,底边ABAB和CDCD等于aa和bb(图1)的对应关系。让我们画一条割线ll,使它与梯形的底平行,并将其切成两个相等的梯形T1(ABL2L1)T_1(ABL_2L_1)和T2(L1L2CD)T_2(L_1L_2CD)。让我们计算线段L1L2L_1L_2的长度,用xx表示。根据梯形 T1T_1 和 T2T_2 的等价性,可以得出 (a+x)h1=(x+b)h2(a+x)h_1=(x+b)h_2,或者

h1:h2=(x+b):(a+x),h_1:h_2=(x+b):(a+x),

(2) 其中h1h_1是梯形T1T_1的高度,h2h_2是梯形T2T_2的高度。从三角形AL1UAL_1U和DL1VDL_1V的相似性可以得出:

h1:h2=(a−x):(x−b).h_1:h_2=(a-x):(x-b).

(3) 比较(2)和(3),我们得到

x+ba+x=a−xx−b,\frac{x+b}{a+x}=\frac{a-x}{x-b},

x2−b2=a2−x2x^2-b^2=a^2-x^2从哪里来,最后

x=a2+b22.x=\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}}.

所以,已经证明L1L2=a2+b22.L_1L_2=\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}}.

考虑到(2),我们有 h1<h2h_1<h_2,所以该段 L1L2L_1L_2 靠近更大的基地 ABAB 梯形大于其中线 K1K2K_1K_2, 平等的 a+b2\frac{a+b}{2}。诺利纳段 xx平行于梯形的底边,其端部位于梯形的侧面,被包围在其底边的长度之间(这是从相似性得出的)。所以,当 a>ba>b 我们有 a+b2<a2+b22\frac{a+b}{2}<\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}}。即使当 a<ba<b (只需更改符号: aa 在 bb 和 bb 在 aa)。因此,对于任何 aa 和 bb 我们有 a+b2≤a2+b22.\frac{a+b}{2}\leq\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}}.

让我们继续比较NN和KK。为此,我们绘制一条割线 nn,以便将给定的梯形切割成两个相似(相似)梯形 T1′(ABN2N1)T_1'(ABN_2N_1) 和 T2′(N1N2CD)T_2'(N_1N_2CD) (图 2)。让我们用 yy 表示线段 N1N2N_1N_2 的长度。根据梯形 T1′T_1' 和 T2′T_2' 的相似性,可以得出 a:y=y:ba:y=y:b,或者

y=ab.y=\sqrt{ab}.

因此,N1N2=abN_1N_2=\sqrt{ab}。根据梯形的相似性(考虑到(4))还可以得出:

AN1:N1D=a:y=ab>1.AN_1:N_1D=a:y=\sqrt{\frac{a}{b}}>1.

这意味着线 nn 距离梯形的底ABAB 更远,

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中间线是K1K2K_1K_2,因此是N1N2<K1K2N_1N_2 < K_1K_2。因此,对于任意 aa 和 bb 我们有

ab≤a+b2.\sqrt{ab} \leq \frac{a+b}{2}.

最后,让我们通过该梯形对角线的交点 OO 画一条线 mm,平行于其底边,并在点 M1M_1 和 M2M_2 (图 3) 处与侧边相交。显然AM1:M1D=AO:OC=a:bAM_1:M_1D = AO:OC = a:b。

但是ab>ab\frac{a}{b} > \sqrt{\frac{a}{b}},因为a>ba > b。因此,考虑到(5),我们得出结论,线段M1M2M_1M_2比线段N1N2N_1N_2更接近梯形的较小底,因此M1M2<N1N2M_1M_2 < N_1N_2。另一边,

M1O:a=DO:DB=CO:CA=OM2:a.M_1O:a = DO:DB = CO:CA = OM_2:a.

这意味着M1O=OM2M_1O = OM_2。下一个,

M1Oa+OM2b=DODB+BODB=1.\frac{M_1O}{a} + \frac{OM_2}{b} = \frac{DO}{DB} + \frac{BO}{DB} = 1.

由此得出M1M2=2M1O=21a+1bM_1M_2 = 2M_1O = 2\frac{1}{a} + \frac{1}{b},因此M1M2=2aba+bM_1M_2 = \frac{2ab}{a+b}。所以,如果a>ba > b,则M<NM < N。同理,证明M<NM < N如果a<ba < b。因此,对于任何aa和bb,我们有

2aba+b≤ab.\frac{2ab}{a+b} \leq \sqrt{ab}.

这正确地证明了不等式(1)。

所以四个都是平均水平

M1M2=M=2aba+b;N1N2=N=ab;M_1M_2 = M = \frac{2ab}{a+b}; \quad N_1N_2 = N = \sqrt{ab};

K1K2=K=a+b2;L1L2=L=a2+b22.K_1K_2 = K = \frac{a+b}{2}; \quad L_1L_2 = L = \sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}}.

aa和bb这两个线段下面得到了一个几何原点:如果这两个线段作为梯形的底,那么靠近梯形较大底边的是二次均值,接下来是算术平均,然后是几何平均,最后是调和平均(图4)。显然,这些线段的长度并不取决于梯形的形状 - 对于具有给定长度 aa 和 bb 底边的所有梯形,相应梯形的指示平均值相等。当a=ba = b时,梯形变成平行四边形,中间的四个四边形全部重合,等于aa。

仍然需要在给定的段 aa 和 bb 上构造这四个平均值。我们给出这样的构造,以便人们能够以另一种方式确信不等式(1)的真实性。

让我们在点 OO 一侧的直线上绘制线段 OA=aOA = a、OB=bOB = b,其中 a<ba < b。令 SS 为线段 ABAB (图 5) 的中点。然后

OS=a+b−a2 или OS=a+b2=K.OS = a + \frac{b-a}{2} \text{ или } OS = \frac{a+b}{2} = K.

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图 5.

OC=M=2aba+b;OC = M = \frac{2ab}{a+b};
OP=N=ab;OP = N = \sqrt{ab};
OS=K=a+b2;OS = K = \frac{a+b}{2};
OE=L=a2+b22;OE = L = \sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}};
M<N<K<L.M < N < K < L.

让我们在线段 ABAB 上构造一个圆,就像在直径上一样,并从点 OO 向其绘制切线 OPOP 和 OQOQ(P,QP, Q 是切点)。让我们使用从点 OO 到圆绘制的割线和切线段之间的关系:
OP2=ab.OP^2 = ab. 因此,OP=ab=NOP = \sqrt{ab} = N,N<KN < K。接下来,让PQPQ与OSOS相交于CC。然后 OP2=OS⋅OCOP^2 = OS \cdot OC 和
OC=ab:a+b2=2aba+b=M,OC = ab: \frac{a+b}{2} = \frac{2ab}{a+b} = M,
和M<NM < N。

最后,我们构造垂直于ABAB的半径SESE。我们有
OE2=(a+b2)2+(a−b2)2,OE^2 = \left(\frac{a+b}{2}\right)^2 + \left(\frac{a-b}{2}\right)^2,
OE=a2+b22=L,OE = \sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}} = L,
和K<LK < L。所以,如果a≠ba \neq b,那么M<N<K<LM < N < K < L。

练习

  1. 在点 OO 一侧的直线上,布置线段 OA=a,OB=b,a<b,OA = a, OB = b, a < b,,并构造一个直径为 ABAB、中心为 SS 的圆 kk。接下来,构造以 OO 为中心、半径为 OPOP 的k1k_1 和直径为 OSOS 的k2k_2。

证明如果穿过OO的直线与位于kk内部的直线g,k1g, k_1和k2k_2的部分相交于点C1,P1,S1C_1, P_1, S_1,并且与圆kk相交于点A1A_1和B1B_1,则
OC1=2a1b1a1+b1,OC_1 = \frac{2a_1b_1}{a_1+b_1},
OP1=a1b1,OP_1 = \sqrt{a_1b_1},
OS1=a1+b12(a1=OA1,b1=OB1).OS_1 = \frac{a_1+b_1}{2} \quad (a_1 = OA_1, b_1 = OB_1).

  1. 求连接两个数字 aa 和 bb 的每三个平均值的偶数比率:
    M=2aba+b,M = \frac{2ab}{a+b},
    N=ab,N = \sqrt{ab},
    K=a+b2,K = \frac{a+b}{2},
    L=a2+b22.L = \sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}}.

  2. 证明下列不等式的正确性:
    a) N−M⩽K−N,N - M \leqslant K - N,
    b) K−M⩽L−N,K - M \leqslant L - N,
    b) L−K⩽K−N.L - K \leqslant K - N.

  3. 圆心 SS 在直角坐标系 x 轴上的圆与该轴相交于点 A(a,0)A(a, 0) 和 B(b,0),a>0,b>0,a<bB(b, 0), a > 0, b > 0, a < b。通过原点 OO 的割线与圆相交于点 A1A_1 和 B1B_1。写出割线上那些点 C1(x,y)C_1(x, y) 所属直线的方程,其中
    (OC1)2=12[(OA1)2+(OB1)2].(OC_1)^2 = \frac{1}{2} \left[ (OA_1)^2 + (OB_1)^2 \right].

  4. 在三角形ABSABS的边ABAB在点AA之外的延续上,有一个底点OO,通过该点画一条线与对应于点B1B_1和A1A_1的ASAS和BSBS相交。通过线 AA1AA_1 和 BB1BB_1 的交点 PP,绘制一条线 SPSP,与 ABAB 相交于点 CC。证明c=2aba+bc = \frac{2ab}{a+b},其中OA=a,OB=b,OC=cOA = a, OB = b, OC = c。

  5. 给定一个平行四边形 OABCOABC 和与 ACAC 平行的三角形 ABCABC 的中线 MNMN。通过顶点OO画一条直线;与相应线的线 BC,CA,AB,MNBC, CA, AB, MN 相交于点 A0,B0,C0,D0A_0, B_0, C_0, D_0。证明1a+1b+1c=3d\frac{1}{a} + \frac{1}{b} + \frac{1}{c} = \frac{3}{d},其中OA0=a,OB0=b,OC0=c,OD0=dOA_0 = a, OB_0 = b, OC_0 = c, OD_0 = d;点A0,B0,C0,D0A_0, B_0, C_0, D_0位于OO的一侧(dd是线段a,b,c,da, b, c, d的调和平均值)。

如果点 A0,B0,C0,D0A_0, B_0, C_0, D_0 不位于 OO 的同一侧,那么规定的等式会如何变化?