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- 2021-06-24 发布
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第3讲 柯西不等式与排序不等式
[学生用书P252])
1.二维形式的柯西不等式
(1)定理1(二维形式的柯西不等式)
若a,b,c,d都是实数,则(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2,当且仅当ad=bc时,等号成立.
(2)(二维变式)·≥|ac+bd|,·≥|ac|+|bd|.
(3)定理2(柯西不等式的向量形式)
设α,β是两个向量,则|α·β|≤|α||β|,当且仅当β是零向量,或存在实数k,使α=kβ时,等号成立.
(4)定理3(二维形式的三角不等式)
设x1,y1,x2,y2∈R,那么+≥.
(5)(三角变式)设x1,y1,x2,y2,x3,y3∈R,则+≥.
2.柯西不等式的一般形式
设a1,a2,a3,…,an,b1,b2,b3,…,bn是实数,则(a+a+…+a)(b+b+…+b)≥(a1b1+a2b2+…+anbn)2,当且仅当bi=0(i=1,2,…,n)或存在一个数k,使得ai=kbi(i=1,2,…,n)时,等号成立.
3.排序不等式
设a1≤a2≤…≤an,b1≤b2≤…≤bn为两组实数,c1,c2,…,cn为b1,b2,…,bn的任一排列,则有:a1bn+a2bn-1+…+anb1≤a1c1+a2c2+…+ancn≤a1b1+a2b2+…+anbn,当且仅当a1=a2=…=an或b1=b2=…=bn时,反序和等于顺序和.
排序原理可简记作:反序和≤乱序和≤顺序和.
柯西不等式的证明[学生用书P253]
[典例引领]
若a,b,c,d都是实数,求证(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2,当且仅当ad=bc时,等号成立.
【证明】 因为(a2+b2)(c2+d2)-(ac+bd)2
=a2c2+a2d2+b2c2+b2d2-a2c2-b2d2-2acbd
=a2d2+b2c2-2adbc=(ad-bc)2≥0,
当且仅当ad=bc时,等号成立.
即(a2+b2)(c2+d2)-(ac+bd)2≥0,
所以(a2+b2)(c2+d2)≥(ac+bd)2,
当且仅当ad=bc时,等号成立.
设α,β是两个向量,求证|α·β|≤|α||β|,当且仅当β为零向量或存在实数k,使α=kβ时等号成立.
[证明] 如图,设在平面直角坐标系xOy中有向量α=(a,b),β=(c,d),α与β之间的夹角为θ,0≤θ≤π.
根据向量数量积(内积)的定义,有α·β=|α||β|cos θ,
所以|α·β|=|α||β||cos θ|.
因为|cos θ|≤1,所以|α·β|≤|α||β|.
如果向量α和β中有零向量,则ad-bc=0,不等式取等号.如果向量α和β都不是零向量,则当且仅当|cos θ|=1,即向量α和β共线时,不等式取等号.
柯西不等式的证明可利用已学过的比较法,也可利用向量法,柯西三角不等式还可利用几何法证明.
如下:设x1,y1,x2,y2,x3,y3∈R,则
+≥ .
证明:设A(x1,y1),B(x2,y2),C(x3,y3).
由|CA|+|CB|≥|BA|与两点间的距离公式得+≥.
当且仅当点C位于线段BA上时取等号.
设a1,a2,b1,b2为实数,求证:+≥.
[证明] (+)2
=a+a+2+b+b
≥a+a+2|a1b1+a2b2|+b+b
≥a+a-2(a1b1+a2b2)+b+b
=(a-2a1b1+b)+(a-2a2b2+b)
=(a1-b1)2+(a2-b2)2,
所以+≥ .
利用柯西不等式求最值[学生用书P253]
[典例引领]
已知正实数u,v,w满足u2+v2+w2=8,求++的最小值.
【解】 因为u2+v2+w2=8.
所以82=(u2+v2+w2)2=
≤(9+16+25),
所以++≥=.
当且仅当÷3=÷4=÷5,即u=,v=,w=2时取到“=”,所以当u=,v=,w=2时++的最小值为.
利用柯西不等式求最值的一般结构为:(a+a+…+a)≥(1+1+…+1)2=n2.在使用柯西不等式时,要注意右边为常数且应注意等号成立的条件.
[通关练习]
1.设x,y,z∈R,2x-y-2z=6,试求x2+y2+z2的最小值.
[解] 考虑以下两组向量
u=(2,-1,-2),v=(x,y,z),
根据柯西不等式(u·v)2≤|u|2·|v|2,
得[2x+(-1)y+(-2)z]2≤[22+(-1)2+(-2)2](x2+y2+z2),
即(2x-y-2z)2≤9(x2+y2+z2),
将2x-y-2z=6代入其中,
得36≤9(x2+y2+z2),
即x2+y2+z2≥4,
故x2+y2+z2的最小值为4.
2.设x,y,z∈R,x2+y2+z2=25,试求x-2y+2z的最大值与最小值.
[解] 根据柯西不等式,有(1·x-2·y+2·z)2≤[12+(-2)2+22](x2+y2+z2),
即(x-2y+2z)2≤9×25,
所以-15≤x-2y+2z≤15,
故x-2y+2z的最大值为15,最小值为-15.
利用柯西不等式证明不等式[学生用书P254]
[典例引领]
设a,b,c为正数,且a+b+c=1,求证:++≥.
【证明】 ++
=(12+12+12)
≥
=
=
≥×(1+9)2=,
当且仅当a=b=c时等号成立,所以所求证的不等式成立.
利用柯西不等式证明的关键是恰当构造变形,化为符合它的结构形式,当一个式子与柯西不等式的左边或右边具有一致形式时,就可使用柯西不等式进行证明.注意等号成立的条件.
[通关练习]
1.已知a,b为正数,求证+≥.
[证明] 因为a>0,b>0,所以由柯西不等式,
得(a+b)
=[()2+()2]·
≥=9,当且仅当a=b时取等号,所以+≥.
2.设a,b>0,且a+b=1,求证:+≥.
[证明] 因为(12+12)
≥
=
=≥25,当且仅当a=b=时取等号,
所以+≥.
利用排序不等式求最值[学生用书P255]
[典例引领]
设a,b,c为任意正数,求++的最小值.
【证明】 不妨设a≥b≥c,
则a+b≥a+c≥b+c,≥≥,
由排序不等式得,
++≥++,
++≥++,
上述两式相加得:2≥3,
即++≥.
当且仅当a=b=c时,
++取最小值.
求最小(大)值时,往往所给式子是顺(反)序和式.然后利用顺(反)序和不小(大)于乱序和的原理构造出适当的一个或两个乱序和,从而求出其最小(大)值.
设0>…>,
且b1≥1,b2≥2,…,bn-1≥n-1,c1≤2,c2≤3,…,cn-1≤n.
利用排序不等式,有
++…+≥++…+≥++…+.
故原不等式成立.
3.已知大于1的正数x,y,z满足x+y+z=3.求证:++≥.
[证明] 由柯西不等式及题意得,
·[(x+2y+3z)+(y+2z+3x)+(z+2x+3y)]≥(x+y+z)2=27.
又(x+2y+3z)+(y+2z+3x)+(z+2x+3y)=6(x+y+z)=18,
所以++≥=,
当且仅当x=y=z=时,等号成立.
4.设x,y,z∈R,且满足:x2+y2+z2=1,x+2y+3z=,求x+y+z的值.
[解] 由柯西不等式可得(x2+y2+z2)(12+22+32)≥(x+2y+3z)2,
即(x+2y+3z)2≤14,
因此x+2y+3z≤.
因为x+2y+3z=,
所以x==,
解得x=,y=,z=,
于是x+y+z=.
5.已知a,b,c∈R,且2a+2b+c=8,求(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2的最小值.
[解] 由柯西不等式得
(4+4+1)×[(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2]≥[2(a-1)+2(b+2)+c-3]2,
所以9[(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2]≥(2a+2b+c-1)2.
因为2a+2b+c=8,
所以(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2≥,
当且仅当==c-3时等号成立,
所以(a-1)2+(b+2)2+(c-3)2的最小值是.
6.已知x,y,z均为实数.
(1)若x+y+z=1,求证:++≤3;
(2)若x+2y+3z=6,求x2+y2+z2的最小值.
[解] (1)证明:因为(++)2≤(12+12+12)(3x+1+3y+2+3z+3)=27.
所以++≤3.
当且仅当x=,y=,z=0时取等号.
(2)因为6=x+2y+3z≤·,
所以x2+y2+z2≥,
当且仅当x==即x=,y=,z=时,x2+y2+z2有最小值.