“增量法”证明几类分式不等式-解题方法-魔数师说

“增量法”证明几类分式不等式

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用“增量法”证明几类分式不等式,起到“柳暗花明又一村”的效果。...

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}

\geq
x_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。

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