【一个重要不等式的应用】 4个基本不等式的公式

  不等式作为高中数学课程的重要内容之一,其求解、证明已成为高考及数学相关竞赛命题的一个基本方向。同时,新课程改革又注重对学生能力培养及检测。因此,各类不等式考试命题中相应涉及一些重要不等式的应用,如Cauchy不等式、Jensen不等式,等等。下面笔者就Jensen不等式的应用作以下探讨。
  一、重要不等式及相关概念
  1.凸(凹)函数的定义。
  设函数f(x)定义在某一区间上,对于这一区间上的任意x,x(x≠x),如果恒有f()>,则称函数f(x)在这个区间上是凸函数,如果上式不等号反向恒成立,则称函数f(x)在这个区间上是凹函数。
  2.重要不等式(Jensen不等式)。
  如果函数y=f(x)在某区间上是凸函数,则对于该区间上任意x(i=1,2…,n)都有f()≥,如果函数y=f(x)在某区间上是凹函数,不等号反向成立。其中等号成立时,当且仅当x=x=…=x。
  二、Jensen不等式的应用
  由不等式易知,运用Jensen不等式关键在于构造一个适当的凸(凹)函数。
  1.直接构造凸(凹)函数,应用Jensen不等式。
  例1.设a,b,c均是正数,且a+b+c=1,求证:++≤。
  证明:设函数f(x)=,
  对于任意的x,x∈(0,+∞),当x≠x时,有:
  f()=>=,
  所以函数f(x)=在区间(0,+∞)上是凸函数。
  由Jensen不等式可得:
  ≤=,即++≤。
  例2.(此例为例1的推广形式)设a(i=1,2,…,n)均是正数,且a=A,求证:++…+≤。
  证明:因为函数在区间上是凸函数。由Jensen不等式可得:≤=,
  即++…+≤。
  2.变形构造凸(凹)函数,应用Jensen不等式。
  例3.设a,b,c,d均是正数,求证:≥+
  证明:原不等式等价于≥1+,
  两边同时取对数得:
  lg(1+)+lg(1+)≥lg(1+)。
  令10=,10= ,
  则:lg(1+10)+lg(1+10)≥lg(1+10)。
  此时,只需证明f(x)=lg(1+10)在定义域上是凸函数即可。
  事实上,10+10≥2×10,
  所以(lg(1+10)+lg(1+10))≥lg(1+10)
  =lg(1+10+10+10)≥lg(1+10+10)=lg(1+10)。
  至此f(x)=lg(1+10)在定义域上是凸函数得证,所以原不等式成立。
  例4.(此例为例3的推广形式)设a,b(i=1,2,…,n)均是正数,求证:((a+b)≥(a)+(b)
  证明:由于f(x)=lg(1+10)在定义域上是凸函数,
  所以lg(1+10)≥lg(1+10)
  因为a,b(i=1,2,…,n)均是正数,
  令=10,
  则有:lg(1+)≥lg(1+()),
  即((1+))≥1+(),
  两边同乘以(a)得:((a+b))≥(a)+(b)。
  点评:本文主要以凸函数的构造为例,通过四个例子、两种构造类型介绍了Jensen不等式的应用。同时,每一种构造类型中两个例子的选取上,采取从特殊到一般的推广模式。 其中例1、例3的证明能够帮助学生理解例2、例4的证明。此外,这种模式又能促使学生积极、主动思索,从而发现、解决问题,激发学生求知欲,并能使学生迅速掌握该不等式及其应用。
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