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- 2021-06-16 发布
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第2讲 不等式的证明
)
1.基本不等式
定理1:设a,b∈R,则a2+b2≥2ab,当且仅当a=b时,等号成立.
定理2:如果a、b为正数,则≥,当且仅当a=b时,等号成立.
定理3:如果a、b、c为正数,则≥,当且仅当a=b=c时,等号成立.
定理4:(一般形式的算术—几何平均不等式)如果a1,a2,…,an为n个正数,则≥,当且仅当a1=a2=…=an时,等号成立.
2.不等式的证明方法
证明不等式常用的方法有比较法、综合法、分析法、反证法、放缩法、数学归纳法等.
3.数学归纳法证明不等式的关键
使用数学归纳法证明与自然数有关的不等式,关键是由n=k时不等式成立推证n=k+1时不等式成立,此步的证明要具有目标意识,要注意与最终达到的解题目标进行分析、比较,以便确定解题方向.
比较法证明不等式
求证:(1)当x∈R时,1+2x4≥2x3+x2;
(2)当a,b∈(0,+∞)时,aabb≥(ab).
【证明】 (1)法一:(1+2x4)-(2x3+x2)
=2x3(x-1)-(x+1)(x-1)
=(x-1)(2x3-x-1)
=(x-1)(2x3-2x+x-1)
=(x-1)
=(x-1)2(2x2+2x+1)
=(x-1)2≥0,
所以1+2x4≥2x3+x2.
法二:(1+2x4)-(2x3+x2)
=x4-2x3+x2+x4-2x2+1
=(x-1)2·x2+(x2-1)2≥0,
所以1+2x4≥2x3+x2.
(2)=ab=,当a=b时,=1;当a>b>0时,>1,>0,>1;
当b>a>0时,0<<1,<0,>1.
所以aabb≥(ab).
作商比较法证明不等式的一般步骤
(1)作商:将不等式左右两边的式子进行作商;
(2)变形:将商式的分子放(缩),分母不变,或分子不变,分母放(缩),或分子放(缩),分母缩(放),从而化简商式为容易和1比较大小的形式;
(3)判断:判断商与1的大小关系,就是判断商大于1或小于1或等于1;
(4)结论.
1.设a,b是非负实数,求证:a3+b3≥(a2+b2).
由a,b是非负实数,作差得
a3+b3-(a2+b2)
=a2(-)+b2(-)
=(-).
当a≥b时,≥,
从而()5≥()5,
得(-)≥0;
当a0,
所以a3+b3≥(a2+b2).
2.已知a,b∈(0,+∞),求证abba≤(ab).
=ab-ba-=.
当a=b时,=1;
当a>b>0时,0<<1,
>0,<1.
当b>a>0时,>1,<0,<1.
所以abba≤(ab).
用综合法、分析法证明不等式
设x≥1,y≥1,求证x+y+≤++xy.
【证明】 由于x≥1,y≥1,
要证x+y+≤++xy,
只需证xy(x+y)+1≤y+x+(xy)2.
因为-
=-
=(xy+1)(xy-1)-(x+y)(xy-1)
=(xy-1)(xy-x-y+1)
=(xy-1)(x-1)(y-1),
因为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.
分析法与综合法常常结合起来使用,称为分析综合法,其实质是既充分利用已知条件,又时刻瞄准解题目标,即不仅要搞清已知什么,还要明确干什么,通常用分析法找到解题思路,用综合法书写证题过程.
设a,b,c均为正数,且a+b+c=1.证明:
(1)ab+bc+ca≤;
(2)++≥1.
(1)由a2+b2≥2ab,b2+c2≥2bc,c2+a2≥2ca得a2+b2+c2≥ab+bc+ca.
由题设得(a+b+c)2=1,
即a2+b2+c2+2ab+2bc+2ca=1,
所以3(ab+bc+ca)≤1,
即ab+bc+ca≤.
(2)因为+b≥2a,+c≥2b,+a≥2c,
所以+++(a+b+c)≥2(a+b+c),
即++≥a+b+c.
所以++≥1.
反证法证明不等式
设0,(1-b)c>,(1-c)a>,
三式相乘得(1-a)b·(1-b)c·(1-c)a>,①
又因为00,ab+bc+ca>0,abc>0,求证:a,b,c>0.
(1)设a<0,因为abc>0,所以bc<0.
又由a+b+c>0,则b+c>-a>0,
所以ab+bc+ca=a(b+c)+bc<0,与题设矛盾.
(2)若a=0,则与abc>0矛盾,所以必有a>0.
同理可证:b>0,c>0.
综上可证a,b,c>0.
放缩法证明不等式
若a,b∈R,求证:≤+.
【证明】 当|a+b|=0时,不等式显然成立.
当|a+b|≠0时,
由0<|a+b|≤|a|+|b|⇒≥,
所以=≤=
=+≤+.
“放”和“缩”的常用技巧
在不等式的证明中,“放”和“缩”是常用的推证技巧.
常见的放缩变换有:
(1)变换分式的分子和分母,如<,>,<,>.上面不等式中k∈N*,k>1;
(2)利用函数的单调性;
(3)真分数性质“若00,则<”.
在用放缩法证明不等式时,“放”和“缩”均需把握一个度.
设n是正整数,求证:≤++…+<1.
由2n≥n+k>n(k=1,2,…,n),得≤<.
当k=1时,≤<;
当k=2时,≤<;
…
当k=n时,≤<,
所以=≤++…+<=1.
所以原不等式成立.
用数学归纳法证明不等式
证明贝努利不等式:
设x∈R,且x>-1,x≠0,n∈N,n>1,则(1+x)n>1+nx.
【证明】 (1)当n=2时,因为x≠0.
所以(1+x)2=1+2x+x2>1+2x,不等式成立.
(2)假设当n=k(k≥2)时不等式成立,
即有(1+x)k>1+kx,
则当n=k+1时,由于x>-1,x≠0.
所以(1+x)k+1=(1+x)(1+x)k>(1+x)(1+kx)
=1+x+kx+kx2>1+(k+1)x,
所以当n=k+1时不等式成立.
由(1)(2)可知,贝努利不等式成立.
用数学归纳法证明与自然数有关的命题时应注意以下两个证题步骤:
(1)证明当n=n0(满足命题的最小的自然数的值)时,命题正确.
(2)在假设n=k(k≥n0)时命题正确的基础上,推证当n=k+1时,命题也正确.
这两步合为一体才是数学归纳法,缺一不可.其中第一步是基础,第二步是递推的依据.
证明:对于n∈N*,不等式|sin nθ|≤n|sin θ|恒成立.
(1)当n=1时,上式左边=|sin θ|=右边,不等式成立.
(2)假设当n=k(k≥1,k∈N*)时不等式成立,
即有|sin kθ|≤k|sin θ|.
当n=k+1时,|sin(k+1)θ|=|sin kθcos θ+cos kθsin θ|
≤|sin kθcos θ|+|cos kθsin θ|
=|sin kθ|·|cos θ|+|cos kθ|·|sin θ|
≤|sin kθ|+|sin θ|
≤k|sin θ|+|sin θ|
=(k+1)|sin θ|.
所以当n=k+1时不等式也成立.
由(1)(2)可知,不等式对一切正整数n均成立.
1.若a>0,b>0,且+=.
(1)求a3+b3的最小值;
(2)是否存在a,b,使得2a+3b=6?并说明理由.
(1)由=+≥,
得ab≥2,且当a=b=时等号成立.
故a3+b3≥2≥4,
且当a=b=时等号成立.
所以a3+b3的最小值为4.
(2)由(1)知,2a+3b≥2≥4.
由于4>6,从而不存在a,b,
使得2a+3b=6 .
2.(2017·贵州省六校第一次联考)已知a>0,b>0,a+b=1,求证:
(1)++≥8;
(2)≥9.
(1)因为a+b=1,a>0,b>0,
所以++=++
=2
=2
=2+4
≥4 +4=8
,
所以++≥8.
(2)因为=+++1,
由(1)知++≥8.
所以≥9.
3.(2017·沈阳模拟)设a,b,c>0,且ab+bc+ca=1.求证:
(1)a+b+c≥.
(2)++≥(++).
(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,
故只需证明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.
所以原不等式成立.
(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≤,
所以a+b+c≤ab+bc+ca.
(当且仅当a=b=c=时等号成立).
所以原不等式成立.
4.(20 16·高考全国卷甲)已知函数f(x)=+,M为不等式f(x)<2的解集.
(1)求M;
(2)证明:当a,b∈M时,|a+b|<|1+ab|.
(1)f(x)=
当x≤-时,由f(x)<2得-2x<2,解得x>-1,
所以-1<x≤-;
当-<x<时,f(x)<2恒成立;
当x≥时,由f(x)<2得2x<2,解得x<1,
所以≤x<1.
所以f(x)<2的解集M={x|-1<x<1}.
(2)证明:由(1)知,当a,b∈M时,-1<a<1,-1<b<1,从而(a+b)2-(1+ab)2=a2+b2-a2b2-1=(a2-1)(1-b2)<0.
因此|a+b|<|1+ab|.
5.已知实数a,b,c,d满足a>b>c>d,求证:++≥.
法一:因为(a-d)
=
≥3·3=9,
当且仅当a-b=b-c=c-d时取等号,
所以++≥.
法二:因为(a-d)
=
≥=9,
当且仅当a-b=b-c=c-d时取等号,
所以++≥.
6.求证:+++…+<2.
因为<=-,
所以+++…+<1++++…+
=1+++…+=2-<2.