专题地图 › 不等式的证明
2021 年贵州预赛
F3解答题不等式的证明
设 a1,a2,…,an 均为非负实数。求证:
a22+⋯+an2a1+a12+a32+⋯+an2a2+⋯+a12+a22+⋯+an−12an≥a1+a2+⋯+an4.
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
提示
先确认原分式的自然定义域,再用柯西不等式合并分式和。
思路
合并后只需控制一个三次量;把每项中的两因子之和固定,就能用平方非负给出统一上界。
解答
原式有定义当且仅当至少两个 ai 为正;在此范围内,记
S=i=1∑nai>0,Q=i=1∑nai2,R=i=1∑nai3.
于是每个 Q−ai2>0,并且 SQ−R>0。零分子项为零,对正分子项用柯西不等式,得到
i=1∑nQ−ai2ai=ai>0∑ai(Q−ai2)ai2≥∑iai(Q−ai2)S2=SQ−RS2.
另一方面,由
ai(S−ai)=4S2−(2ai−S)2≤4S2,
乘以非负的 ai 后求和,得
SQ−R=i∑ai2(S−ai)≤4S2i∑ai=4S3.
两边所用分母都为正,因此
i=1∑nQ−ai2ai≥S4,
即为所证。
复核
若恰有两个正项且相等,其余项为零,则柯西与平方界同时取等。反过来,平方界取等要求每个正的 ai 都等于 S/2,所以只能有两个正项。零项在原式有定义时可以保留,不必把全体变量都限制为正。
方法总结
分式和可将分子补成平方,交给柯西合并;随后用一个加权平方非负界控制合并后的分母。涉及非负变量时,先核原分母,再在正分子项上使用需要正分母的形式。
为什么评为 F3(会透露解法方向)
先核分式的自然定义域,以柯西合并循环分母,再用加权平方非负控制三次分母并核零项与共同取等。
用到的方法(会透露解法方向)
核心工具:柯西不等式与投影、作差后证明非负
专题卡:证明不等式或求最值:两边作差,配成平方、平方和与线性式、分式和互相估计:用柯西不等式