全国高中数学竞赛专题不等式

全国高中数学竞赛专题-不等式

证明不等式就是对不等式的左右两边或条件及结论进行代数变形和化归,而变形的依据是不等式的性质,不等式的性质分类罗列如下:

不等式的性质:.0,0<-?<>-?≥b a b a b a b a 这是不等式的定义,也是比较法的依据.

对一个不等式进行变形的性质:

(1)a b b a (对称性)

(2)c b c a b a +>+?>(加法保序性)

(3).0,;0,bc ac c b a bc ac c b a >?>>

(4)*).(,0N n b a b a b a n n n n ∈>>?>>

对两个以上不等式进行运算的性质.

(1)c a c b b a >?>>,(传递性).这是放缩法的依据.

(2).,d b c a d c b a +>+?>>

(3).,d b c a d c b a ->-?<>

(4).,,0,0bc ad d

b c a c d b a >>?>>>> 含绝对值不等式的性质:

(1).)0(||2

2a x a a x a a x ≤≤-?≤?>≤ (2).)0(||22a x a x a x a a x -≤≥?≥?>≥或

(3)||||||||||||b a b a b a +≤±≤-(三角不等式).

(4).||||||||2121n n a a a a a a +++≤+++

证明不等式的常用方法有:比较法、放缩法、变量代换法、反证法、数学归纳法、构造函数方法等.当然在证题过程中,常可“由因导果”或“执果索因”.前者我们称之为综合法;后者称为分析法.综合法和分析法是解决一切数学问题的常用策略,分析问题时,我们往往用分析法,而整理结果时多用综合法,这两者并非证明不等式的特有方法,只是在不等式证明中使用得更为突出而已.此外,具体地证明一个不等式时,可能交替使用多种方法.因此,要熟练掌握不等式的证明技巧,必须从学习这些基本的常用方法开始。

1.比较法(比较法可分为差值比较法和商值比较法。)

(1)差值比较法(原理:A - B >0

A >

B .) 例1 设a, b, c ∈R +,

试证:对任

意实数x, y, z, 有x 2+y 2+z 2.))()((2???? ??++++++++≥xz b a c yz a c b xy c b a a c c b b a abc 证明:左边-右边= x 2+y 2+z 22

22()()()()()()ab bc ca xy yz xz b c c a a b c a a b b c ---++++++ 222222()()()()b ab a c bc b x xy y y yz z b c b c c a c a c a a b c a a b

=-++-+++++++++ 222()()a ca c z xz x a b a b b c b c

+-+++++ 2220.b a c b a c x y y z z x b c c a c a a b a b b c ??????=++-+-≥ ? ? ? ? ? ?++++++?

????? 所以左边≥右边,不等式成立。

(2)商值比较法(原理:若>1,且B>0,则A>B 。)

例2 若a

解:因为1-x ≠1,所以log a (1-x)≠0,

=|log (1-x)(1+x)|=-log (1-x)(1+x)=log (1-x)x +11>log (1-x)(1-x)=1 (因为0<1-x 2<1,所以x +11>1-x>0, 0<1-x<1). 所以|log a (1+x)|>|log a (1-x)|. 2.分析法(即从欲证不等式出发,层层推出使之成立的充分条件,直到已知为止,

叙述方式为:要证……,只需证……。)

例3 已知a, b, c ∈R +,求证:a+b+c-33abc ≥a+b .2

ab - 证明:要证a+b+c 33b a c ??-≥a+b .2ab -

只需证332abc ab c ≥+,

因为33332abc b a c ab ab c ab c =??≥++=+,

所以原不等式成立。

例4 已知实数a, b, c 满足0

.)1(1)1(1)1(2a b b a c c -+-≤- 证明:因为0

,由二次函数性质可证a(1-a) ≤b(1-b) ≤c(1-c),

所以)

1(1)1(1)1(1c c b b a a -≥-≥-, 所以)

1(2)1(2)1(1)1(1c c b b b b a a -≥-≥-+-, 所以只需证明)

1(1)1(1)1(1)1(1a b b a b b a a -+-≤-+-,

也就是证)1)(1()1)(1(b a b b a b a a b a ---≤---, 只需证b(a-b) ≤a(a-b),即(a-b)2

≥0,显然成立。所以命题成立。

3.综合法

例5 若a,b,c>0,求证:abc≥(a+b -c)(b+c-a)(c+a-b)。

证明:∵(a+b -c)+(b+c-a)=2b >0, (b+c-a)+(c+a-b)=2c >0,

(c+a-b)+(a+b-c)=2a >0,

∴a+b -c,b+c-a,c+a-b 中至多有一个数非正.

(1) 当a+b-c,b+c-a,c+a-b 中有且仅有一个数为非正时,原不等式显然成立.

(2) a +b-c,b+c-a,c+a-b 均为正时,则()()()()2a b c b c a a b c b c a b +-++-+-+-≤=

同理()()()(),,a b c a c b a b c a a c b c +-+-≤+-+-≤

三式相乘得abc ≥(a+b -c)(b+c-a)(c+a-b) 例6 已知△ABC 的外接圆半径R=1,S △ABC =,a,b,c 是△ABC 的三边长,

令S=,t=。求证:t>S 。

解:由三角形面积公式:.正弦定理:a/sinA=2R.可得abc=1.

所以2t=2bc+2ac+2ab.由因为a.b.c 均大于0。

所以bc ac ab a abc b abc c abc a b c )=2s.所以t>s 。

4.反证法

例7 设实数a 0, a 1,…,a n 满足a 0=a n =0,且a 0-2a 1+a 2≥0, a 1-2a 2+a 3≥0,…, a n-2-2a n-1+a n ≥0,求证a k ≤0(k=1, 2,…, n-1).

证明:假设a k (k=1, 2,…,n-1) 中至少有一个正数,不妨设a r 是a 1, a 2,…, a n-1

中第一个出现的正数,则a 1≤0, a 2≤0,…, a r-1≤0, a r >0. 于是a r -a r-1>0,依题设a k+1-a k ≥a k -a k-1(k=1, 2, …, n-1)。

所以从k=r 起有a n -a k-1≥a n-1-a n-2 ≥…≥a r -a r-1>0.

因为a n ≥a k-1≥…≥a r+1≥a r >0及a n =0矛盾。故命题获证。

5.数学归纳法

例8 对任意正整数n(≥3),求证:n n+1>(n+1)n .

证明:1)当n=3时,因为34=81>64=43,所以命题成立。

2)设n=k 时有k k+1>(k+1)k ,当n=k+1时,只需证(k+1)k+2>(k+2)k+1,即>1.

因为,所以只需证,

即证(k+1)2k+2>[k(k+2)]k+1,只需证(k+1)2>k(k+2),即证k 2+2k+1>k 2+2k. 显

然成立。

所以由数学归纳法,命题成立。

6.分类讨论法

例9 已知x, y, z ∈R +,求证:.02

22222≥+-++-++-y

x x z x z z y z y y x 证明:不妨设x ≥y, x ≥z.

ⅰ)x ≥y ≥z ,则,x 2≥y 2≥z 2,由排序原理可得

y

x x x z z z y y y x z x z y z y x +++++≥+++++2

22222,原不等式成立。 ⅱ)x ≥z ≥y ,则,x 2≥z 2≥y 2

,由排序原理可得

y x x x z z z y y y x z x z y z y x +++++≥+++++2

22222,原不等式成立。 7.放缩法(即要证A>B ,可证A>C 1, C 1≥C 2,…,C n-1≥C n , C n >B(n ∈N +).) 例10 已知a, b, c 是△ABC 的三条边长,m>0,求证:

.m

c c m b b m a a +>+++ 证明:m b a m m b a b a m b a b m b a a m b b m a a ++-=+++=+++++>+++1 (因为a+b>c ),得证。

8.引入参变量法

例11 已知x, y ∈R +, l, a, b 为待定正数,求f(x, y)=的最小值。

解: 设,则,f(x,y)=

22333233333211111l k a k b k b k b k a k a b a l ≥?????? ??+?+?+?++++ (a 3+b 3+3a 2b+3ab 2

)=, 等号当且仅当时成立。所以f(x, y)min =

例12 设x 1≥x 2≥x 3≥x 4≥2, x 2+x 3+x 4≥x 1,求证:(x 1+x 2+x 3+x 4)2≤4x 1x 2x 3x 4.

证明:设x 1=k(x 2+x 3+x 4),依题设有3

1≤k ≤1, x 3x 4≥4,

原不等式等价于(1+k)2(x 2+x 3+x 4)2

≤4kx 2x 3x 4(x 2+x 3+x 4),即(x 2+x 3+x 4) ≤x 2x 3x 4,

因为f(k)=k+k 1在上递减, 所以(x 2+x 3+x 4)=(x 2+x 3+x 4)≤·3x 2=4x 2≤x 2x 3x 4.

所以原不等式成立。

9.局部不等式

例13 已知x, y, z ∈R +,且x 2+y 2+z 2=1,求证:

222111z z y y x x -+-+- 证明:先证

因为x(1-x 2)=3

323221)1(2213222=??? ???≤-?x x , 所以.2333

32)

1(122222x x x x x x x =≥-=- 同理,, 所以.233)(2331112222

22=++≥-+-+-z y x z z y y x x

例14 已知0≤a, b, c ≤1,求证:≤2。

证明:先证 ①

即a+b+c ≤2bc+2.

即证(b-1)(c-1)+1+bc ≥a.

因为0≤a, b, c ≤1,所以①式成立。 同理.21,21c

b a

c ab c c b a b ca b ++≤+++≤+ 三个不等式相加即得原不等式成立。

10.利用函数的思想

例15 已知非负实数a, b, c 满足ab+bc+ca=1,求f(a, b, c)=的最小值。 解:当a, b, c 中有一个为0,另两个为1时,f(a, b, c)=25,以下证明f(a, b, c) ≥2

5.

不妨设a ≥b ≥c ,则0≤c ≤33, f(a, b, c)= 因为1=(a+b)c+ab ≤+(a+b)c ,

解关于a+b 的不等式得a+b ≥2(12+c -c).

考虑函数g(t)=, g(t)在[+∞+,12c )上单调递增。

又因为0≤c ≤33,所以3c 2≤1. 所以c 2+a ≥4c 2. 所以2)1(2c c -+≥.12+c 所以f(a, b, c)=≥)

1(211)1(2122222c c c c c c c -+++-+++ = =21321112222+-+???

? ??+++c c c c ≥

253(11).222

c c -+=++ 下证≥++-c c )11(320 ① ?+≥+?1332c c c 2+6c+9≥9c 2

+9≥0

因为,所以①式成立。所以f(a, b, c) ≥25,所以f(a, b, c)min =.25

11.构造法

例16 证明:≤。 提示:构造出(x ,0)到两定点的距离之差,并利用数形结合的方法得知两

边差小于第三边且三点共线时取最大值,从而结论得证。

12.运用著名不等式

(1)平均值不等式:

设a 1, a 2,…,a n ∈R +,记H n =, G n =n n a a a 21, A n =

22212n n a a a Q n +++=则H n ≤G n ≤A n ≤Q n . 即调和平均≤几何平均≤算术平均

≤平方平均。

其中等号成立的条件均为a 1=a 2=…=a n .

当n=2时,平均值不等式就是已学过的基本不等式及其变式,所以基本不等式实际上是均值不等式的特例

证明:由柯西不等式得A n ≤Q n ,再由G n ≤A n 可得H n ≤G n ,以下仅证G n ≤A n .

1)当n=2时,显然成立;

2)设n=k 时有G k ≤A k ,当n=k+1时,记k k k a a a a ++1121 =G k+1.

因为a 1+a 2+…+a k +a k+1+(k-1)G k+1≥k k k k k k G a k a a a k 11121-++?+

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