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“增量法”证明几类分式不等式

解题方法 2019-10-03 11:42:46 魔数师说 1529 0
摘要:本文介绍了五种类型的不等式证明方法,包括$\frac{A^2}{B}$、$\frac{A^2}{B+C}$、$\frac{A^2}{S-A}$、$\frac{A^2}{S-nA}$和$\frac{A}{B^2}$型。通过引入辅助变量(如设$x_i = x_{i+1} + \varepsilon_i$)并利用平方和非负性质,将原不等式转化为平方和形式,从而证明不等式成立。例题涉及IMO等竞赛试题,展示了该方法的应用。

1、$\frac{A^2}{B}$型

例题:设$x_1,x_2,\ldots,x_n$为正数,求证:

$\frac{{x_1}^2}{x_2}+\frac{{x_2}^2}{x_3}+\ldots+\frac{{x_{n-1}}^2}{x_n}+\frac{{x_n}^2}{x_1}\geqx_1+x_2+\ldots+x_n$

证明:设$x_1=x_2+\varepsilon_1,x_2=x_3+\varepsilon_2,\ldots,x_{n-1}=x_n+\varepsilon_n,x_n=x_1+\varepsilon_n,$

则有$\sum_{i = 1}^n {\varepsilon_i}=\varepsilon_1+\varepsilon_2+\ldots+\varepsilon_n=0$

原不等式左边

$=\frac{({x_2+\varepsilon_1})^2}{x_2}+\frac{({x_3+\varepsilon_2})^2}{x_3}+\ldots+\frac{({x_1+\varepsilon_n})^2}{x_1}$

$=\sum_{i = 1}^n {x_i}+2\sum_{i = 1}^n {\varepsilon_i}+\frac{{\varepsilon_1}^2}{x_2}+\frac{{\varepsilon_2}^2}{x_3}+\ldots+\frac{{\varepsilon_n}^2}{x_1}$

$\geq \sum_{i = 1}^n {x_i}$

=原不等式右边。

∴ 原不等式成立。


练习:(第24届IMO试题)

设$a,b,c为$三角形的三边长度,求证:
$b^2c(b-c)+c^2a(c-a)+a^2b(a-b)\geq 0$

提示:设$a=x+y,b=y+z,c=z+x,x,y,z\in R^+$,则原不式等式可化为:

$\frac{x^2}{y}+\frac{y^2}{z}+\frac{z^2}{x}-(x+y+z)\geq 0$.


2、$\frac{A^2}{B+C}$型

例题:(第二届“友谊杯”国际数学竞赛试题)

已知$a,b,c\in R^+$,求证:

$\frac{a^2}{b+c}+\frac{b^2}{c+a}+\frac{c^2}{a+b}\geq \frac{1}{2}(a+b+c)$

证明:设$a=\frac{b+c}{2}+\varepsilon_1,b=\frac{c+a}{2}+\varepsilon_2,c=\frac{a+b}{2}+\varepsilon_3$ ,

则有$\varepsilon_1+\varepsilon_2+\varepsilon_3=0$。

从而不等式左边

$=\frac{(\frac{b+c}{2}+\varepsilon_1)^2}{b+c}+\frac{(\frac{c+a}{2}+\varepsilon_2)^2}{c+a}+\frac{(\frac{a+b}{2}+\varepsilon_3)^2}{a+b}$

$=\frac{1}{2}(a+b+c)+(\varepsilon_1+\varepsilon_2+\varepsilon_3)+\frac{\varepsilon_1^2}{b+c}+\frac{\varepsilon_2^2}{c+a}+\frac{\varepsilon_3^2}{a+b}$

$\geq \frac{1}{2}(a+b+c)$=原不等式右边。

∴ 原不等式成立。


练习:
1.(第24届前苏联数学竞赛试题)

已知$a_1,a_2,\ldots,a_n \in R^+$,且$\sum\limits_{i = 1}^n {a_i}=1$.求证:

$\frac{a_1^{2}}{a_1+a_2}+\frac{a_2^{2}}{a_2+a_3}+\ldots+\frac{a_n^{2}}{a_n+a_1}\geq \frac{1}{2}$


2.已知$a_i,b_i \in R^+,(i=1,2,\ldots,n)$且

$\sum\limits_{i = 1}^n {a_i } = \sum_{i = 1}^n {b_i }$ 。

求证:$\sum\limits_{i = 1}^n \frac{{}{a_i}^2} {a_i+b_i} \geq \frac{1}{2}\sum_{i = 1}^n {a_i }$


3、$\frac{A^2}{S-A}$型

例题:设$a_i \in R^+(i=1,2,\ldots,n,n\geq 2)$,

$S=\sum\limits_{i = 1}^n {a_i } $.证明:

$\sum \limits_{i = 1}^n \frac{{a_i}^2}{S-a_i} \geq \frac{S}{n-1}$.

证明:设$a_i=\frac{S-a_i}{n-1}+\partial _i,(i=1,2,\ldots,n)$

则$\partial _1+\partial _2+\ldots+\partial _n=0$

从而不等式左边

……(后略)


4、$\frac{A^2}{S-nA}$型

例题:设$a,b,c$为△ABC的三边,求证:

$\frac{a^2}{b+c-a}+\frac{b^2}{c+a-b}+\frac{c^2}{a+b-c}\geq a+b+c$。

证明 :令$S=a+b+c$,则上述不等式转化为

$\frac{a^2}{S-2a}+\frac{b^2}{S-2b}+\frac{c^2}{S-2c}\geq a+b+c$

再设$a=S-2a+\partial _1,b=S-2b+\partial _2,c=S-2c+\partial _3$,则

$\partial _1+\partial _2+\partial _3=0$

从而原不等式

左边=$\frac{(S-2a+\partial _1)^2}{S-2a}+\frac{(S-2b+\partial _2)^2}{S-2b}+\frac{(S-2c+\partial _3)^2}{S-2c}$

$=(S-2a+S-2b+S-2c)+2(\partial _1+\partial _2+\partial _3)+

\frac{{\partial _1}^2}{S-2a}+\frac{{\partial _2}^2}{S-2a}+\frac{{\partial _3}^2}{S-2a}

\geq S=a+b+c$

∴ 原不等式成立。


5、$\frac{A}{B^2}$型

例题:(第20届IMO试题)

设$a_1,a_2,\ldots,a_n$是$n$个互不相同的自然数。求证:

$\sum_{k = 1}^n {\frac{{a_k }}{{k^2 }}} \geq \sum_{k = 1}^n {\frac{1}{k}}$

证明:设$\frac{1}{k}=\frac{1}{a_k}+ \varepsilon_k$ ,
由$\sum_{k = 1}^n {a_k } \geq \sum_{k = 1}^n {k }$ 知,$\sum_{k = 1}^n \frac{1}{a_k } \leq \sum_{k = 1}^n \frac{1}{k } $,则有

$\sum_{k = 1}^n \frac{1}{\varepsilon_k }=\sum_{k = 1}^n (\frac{1}{k}-\frac{1}{a_k }) \geq 0$

从而原不等式
$\sum_{k = 1}^n {\frac{{a_k }}{{k^2 }}}=\sum_{k = 1}^n \frac{(\frac{1}{k})^2}{\frac{1}{a_k}}=\sum_{k = 1}^n \frac{(\frac{1}{a_k}+\varepsilon_k)^2}{\frac{1}{a_k}}$

$=\sum_{k = 1}^n {\frac{1}{a_k}}+2\sum\limits_{k = 1}^n {\varepsilon_k}+\sum_{k = 1}^n {a_k \varepsilon_k^2}$

$\geq \sum_{k = 1}^n {(\frac{1}{a_k}+\varepsilon_k)}=\sum_{k = 1}^n {\frac{1}{k}}$

∴ 原不等式得证。

不等式 增量法 分式
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