浅谈高中数学不等式的证明方法

浅谈高中数学不等式的证明方法姜堰市罗塘高级中学李鑫摘要：不等式是中学数学的重要知识，本文介绍了几种不等式的证明方法，并举例进一步加强对各种不等式的理解。关键字：比较法，分析法，综合法，反证法，放缩法，数学归纳法，换元法，均值不等式，柯西不等式，导数法不等式在中学数学中占有重要地位，因此在历年高考中颇为重视。由于不等式的形式各异,所以证明没有固定的程序可循，技巧多样，方法灵活，因此有关不等式的证明是中学数学的难点之一。本文从不等式的各个方面进行讲解和研究。一．比较法所谓比较法，就是通过两个实数a与b的差或商的符号（范围）确定a与b大小关系的方法，即通过“0ab，0ab，0ab；或1ab，1ab，1ab”来确定a，b大小关系的方法，前者为作差法，后者为作商法。例1已知：0a，0b，求证：abba2.分析：两个多项式的大小比较可用作差法证明02)(2222baabbaabba，故得abba2.例2设0ba，求证：abbababa.分析：对于含有幂指数类的用作商法证明因为0ba，所以1ba，0ba.而1baabbabababa，故abbababa二．分析法从求证的不等式出发，分析这个不等式成立的充分条件，把证明这个不等式的问题转化为证明这些条件是否具备的问题，如果能够肯定这些条件都已具备，那么就可以判定所证的不等式成立，这种方法叫做分析法。例3：求证36227证明：960,870为了证明原不等式成立，只需证明22(96)(87)即1525415256，只需证明5456,54565456成立原不等式成立运用分析法时，需积累一些解题经验，总结一些常规思路，这样可以克服无目的的乱碰，从而加强针对性，较快地探明解题途。三．综合法从已知或证明过的不等式出发，根据不等式的性质及公理推导出欲证的不等式，这种证明方法叫做综合法。例4：已知,abR，1ab，求证：221125()()2abab证明：∵1ab∴1=22222()22()abababab∴2212ab又∵22222222111111()()(2)28ababababab奎屯王新敞新疆∴2222221111()()()4()abababab1254822．四．反证法从否定结论出发，经过逻辑推理，导出矛盾，证实结论的否定是错误的，从而肯定原结论是正确的，这种证明方法叫做反正法.用反证法证明不等式时，必须将命题结论的反面的各种情形一一导出矛盾这里作一简单介绍。反证法证明一个命题的思路及步骤：1）假定命题的结论不成立；2）进行推理，在推理中出现下列情况之一：与已知条件矛盾；与公理或定理矛盾;3）由于上述矛盾的出现，可以断言，原来的假定“结论不成立”是错误的;4）肯定原来命题的结论是正确的。例5：已知01,01,01abc，求证：(1),(1),(1)abbcca至少有一个小于等14分析：本题从正面考虑情况较多，可考虑选用反证法，“小于等于”的反面是“大于”“至少有一个”的反面是“一个也没有”。证明：假设(1),(1),(1)abbcca都大于14，则∵01,01,01abc∴10,10,10abc根据平均值不等式，有(1)11(1)242abab，同理(1)1(1)1,2222bcca(1)(1)(1)11132222222abbcca3322∴，显然矛盾.所以结论成立。五．放缩法放缩法就是在证明过程中,利用不等式的传递性,作适当的放大或缩小,证明比原不等式更好的不等式来代替原不等式的证明.放缩法的目的性强,必须恰到好处,同时在放缩时必须时刻注意放缩的跨度，放不能过头，缩不能不及.否则不能达到目的。例6：设a、b、c是三角形的边长，求证3abcbcacababc证明：由不等式的对称性，不妨设abc，则acbbaccba且20cab，20abc∴3111abcabcbcacababcbcacababc222abcbaccabbcacababc0222bacbacbacacbbaccba∴3abcbcacababc六．数学归纳法对于含有)(Nnn的不等式，当n取第一个值时不等式成立，如果使不等式在)(Nnkn时成立的假设下，还能证明不等式在1kn时也成立，那么肯定这个不等式对n取第一个值以后的自然数都能成立.例7已知：Rba,，Nn，1n，求证：11nnnnabbaba.证明（1）当2n时，abababba222，不等式成立；（2）若kn时，11kkkkabbaba成立，则111111)()(kkkkkkkkkkbababbaababbaaba=kkkkkkkkkkabbabababbababbaabba21112)()2(，即kkkkabbaba11成立.根据（1）、（2），11nnnnabbaba对于大于1的自然数n都成立.七．换元法在证题过程中，以变量代换的方法，选择适当的辅助未知数，使问题的证明达到简化.例8：已知：1cba，求证：31cabcab.证明设ta31，)(31Rtatb，则tac)1(31，tattaatattcabcab)1(3131)1(31313131,31)1(3122taa所以31cabcab例9：已知221ab，求证：22221125()()4abab。本题在前面综合法中证明过，但观察到已知条件中的221ab，可考虑用换元法，设sin,cosab.证明：∵221ab，0ab(求证式中分母含22ab、)可设sin,cosab，其中02，其中3,,22，于是：222222224444224422222222222211()()11(sin)(cos)sincossincossincos1sincossincos(sincos)2sincos1sincos(sincos1)1sincosabab2221(sin21)141sin24∴当2sin2时，分子取最小值，分母取最大值.∴222221(1)111254()()144abab八．利用均值不等式均值不等式公式：①222,(,)abababababR（当且仅当ab时取“”）；②2,(,)abababababR（当且仅当ab时取“”）。均值不等式是高考中一个重要知识点，其变形多，约束条件“苛刻“（一正、二定，三相等）。例10：已知a，b，c为不全相等的正数，求证：a(b2+c2)+b(c2+a2)+c(a2+b2)6abc.分析：观察要证不等式的两端都是关于a，b，c的3次多项式，左侧6项，右侧6项，左和右积，具备均值不等式的特征。证明:∵b2+c2≥2bc,a0,∴a(b2+c2)≥2abc同理，b(c2+a2)≥2bac,c(a2+b2)≥2cab,又因为a，b，c不全相等，所以上述三个不等式中等号不能同时成立，因此a(b2+c2)+b(c2+a2)+c(a2+b2)6abc。例11.若,0,2xyxy，求证：112xy证明：因为,0,xy所以11111()()2xyxyxy1(11)22yxxy当且仅当yxxy，即1,1xy时等号成立九．导数法当x属于某区间，有0)(xf，则)(xf单调递增；若0)(xf，则)(xf单调递减.推广之，若证)()(xgxf，只须证)()(agaf及)),((),()(baxxgxf即可.例12证明不等xex1，.0x证明设,1)(xexfx则.1)(xexf故当0x时，fxf,0)(递增；当fxfx,0)(,0递减.则当0x时，,0)0()(fxf从而证得.0,1xxex十．利用柯西不等式设,,,abcd均为实数，则22222()()()abcdacbd，当且adbc仅当时成立.例13.若,0,2xyxy，求证：112xy此题在前面用均值不等式解的，也可以用柯西不等式解答。证明：11111()()2xyxyxy211()2xyxy当且仅当yxxy，即1,1xy时等号成立不等式知识在高中尤为重要，在学术上也有很大的研究的余地，本文只是浅显的举例说明了一些关于不等式的内容更深层的知识有待学者继续研究。参考文献[1]傅荣强，于长军.《龙门专题高中数学不等式》[M].龙门书局出版社，2007：58—88[2]胡汉明.不等式证明问题的思考方法.数学通讯,2001(9).[3]王胜林,卫赛民.证明不等式的几种特殊方法.数学通讯,2004(11).[4]普片多，例谈中学不等式的证明方法.西南大学数学与统计学院