均值不等式

均值不等式

均值不等式,又名平均值不等式、平均不等式,是数学中的一个重要公式。公式内容为Hn≤Gn≤An≤Qn,即调和平均数不超过几何平均数,几何平均数不超过算术平均数,算术平均数不超过平方平均数。

    • 中文名:均值不等式
    • 外文名:Inequality of arithmetic and geometric means
    • 表达式:Hn≤Gn≤An≤Qn
    • 套用学科:数学
    • 适用领域範围:不等式

定义

被称为均值不等式。·即调和平均数不超过几何平均数,几何平均数不超过算术平均数,算术平均数不超过平方平均数,简记为“调几算方”。

其中:

,被称为调和平均数。

,被称为几何平均数。

,被称为算术平均数。

,被称为平方平均数。

证明

关于均值不等式的证明方法有很多,数学归纳法(第一数学归纳法或反向归纳法)、拉格朗日乘数法、琴生不等式法、排序不等式法、柯西不等式法等等,都可以证明均值不等式,在这里简要介绍数学归纳法的证明方法:

(注:在此证明的,是对n维形式的均值不等式的证明方法。)

用数学归纳法证明,需要一个辅助结论。

引理:设A≥0,B≥0,则

,且仅当B=0时取等号。

注:引理的正确性较明显,条件A≥0,B≥0可以弱化为A≥0,A+B≥0,有兴趣的同学可以想想如何证明(用数学归纳法)(或用二项展开公式更为简便)。

原题等价于:

, 若且唯若

时取等号。

当n=2时易证;

假设当n=k时命题成立,即

, 若且唯若

时取等号。那么当n=k+1时,不妨设

......

中最大者,则

,根据引理

,若且唯若

时,即

时取等号。

利用琴生不等式法也可以很简单地证明均值不等式,同时还有柯西归纳法等等方法。

推广

一般形式

设函式

(

);

上的连续单调递增函式。

时,

可以注意到,min{an}≤Hn≤Gn≤An≤Qn≤max{an}仅是上述不等式的特殊情形。

特例

⑴对实数a,b,有

(若且唯若a=b时取“=”号),

(若且唯若a=-b时取“=”号)

⑵对非负实数a,b,有

,即

⑶对非负实数a,b,有

⑷对非负实数a,b,a≥b,有

⑸对非负实数a,b,有

⑹对实数a,b,有

⑺对实数a,b,c,有

⑻对非负数a,b,有

⑼对非负数a,b,c,有

在几个特例中,最着名的当属算术—几何均值不等式(AM-GM不等式):

n=2时,上式即:

若且唯若

时,等号成立。

根据均值不等式的简化,有一个简单结论,即

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