专题地图 › 不等式的证明
2024 年北京预赛
F3解答题不等式的证明
设 a,b,c 是三个正数,求证:
2a2+b2+c22a+a2+2b2+c22b+a2+b2+2c22c≤5a2+5b2+5c2+ab+bc+ca32(a+b+c).
作答
这是解答题,请在纸上写出完整过程。写完后对照解答给自己评分。
解析
思路
把三元平方和归一化后,左边成为同一个凹函数在三点的和;詹森不等式恰好产生右边只依赖三数和的表达式。
解答
令
Q=a2+b2+c2,x=Qa,y=Qb,z=Qc,
则 x2+y2+z2=1。设 s=x+y+z,并令
ϕ(t)=1+t2t(t>0).
因
ϕ′′(t)=−(1+t2)5/23t<0,
ϕ 为严格凹函数。由詹森不等式,
cyc∑1+x2x≤3ϕ(3s)=9+s23s.
所以原式左边不超过 6s/9+s2。另一方面,
ab+bc+ca=2(a+b+c)2−Q,
故原式右边也恰等于
9+s26s.
不等式得证。
复核
归一化中 Q>0;严格凹性表明等号仅在 x=y=z,即 a=b=c 时成立,直接代入两边均为 3。
方法总结
若分母形如“公共平方和加本项平方”,归一化后常出现 t/1+t2;其凹性可把三项统一压到平均值。
为什么评为 F3(会透露解法方向)
须用平方和归一化,再辨认t除以根号1+t平方的凹性,使右侧恰成为同一平均值表达式。
用到的方法(会透露解法方向)
核心工具:齐次式取比例,归一化、琴生不等式
专题卡:齐次式、比值和对称式:归一化或换元,减少变量、化成一个变量,或逐项估计再相加