РефератыМатематикаДоДоказательства неравенств с помощью одномонотонных последовательностей

Доказательства неравенств с помощью одномонотонных последовательностей

Муниципальное общеобразовательное учреждение


Средняя общеобразовательная школа № 4


Секция: математика


ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА


по теме


Доказательства неравенств с помощью одномонотонных последовательностей


Позолотина Наталья Андреевна, 9б
класс,


МОУ СОШ №4 Центрального района.


224-49-85


Руководитель: Тропина Наталья Валерьяновна,


кандидат педагогических наук,


доцент кафедры математического анализа НГПУ.


(Работа выполнена в МОУ СОШ №4)


Новосибирск 2008


Содержание


Введение


1. Основные понятия и определения


2. Обоснование метода одномонотонных последовательностей для случая с произвольным числом переменных


2.1 Доказательство неравенств с минимальным числом переменных


2.2 Случай с двумя последовательностями из двух переменных


Упражнения


2.3 Случай с двумя последовательностями из трех переменных


Упражнения


2.4 Случай с двумя последовательностями из n переменных


Упражнения


2.5 Случай с n последовательностями из n переменных


Упражнения


Заключение


Список использованной литературы


Введение


В школьном курсе математике мы изучали доказательства неравенств в основном двумя способами:


- сведение к очевидному с помощью равносильных преобразований;


- графически (исследование свойств и построение графиков функции)


Не существует универсального способа доказательства всех неравенств, и более того, не существует конкретных указаний для выбора способа доказательства. Поэтому любой новый способ доказательства неравенств представляет особый интерес.


В данном работе мы рассмотрим один из таких способов: доказательство неравенств с помощью одномонотонных последовательностей.


Работа состоит из 2-х параграфов. В первом параграфе я объясняю основные определения, которые нам понадобятся для работы. Во втором параграфе находится основная работа с примерами и упражнениями.


1. Основные понятия и определения


В данном параграфе мы рассмотрим основные понятия и определения, которые нам понадобятся для дальнейшей работы.


Определение 1. Множество – это совокупность, собрание, набор некоторых объектов по какому – либо общему для них признаку.


Определение 2. Натуральные числа N – это целые положительные числа 1, 2, 3, 4, 5,…


Определение 3. Целые числа Z – это числа 0, +1, +2, +3, +4, +5…:


Z = N -N {0}


Определение 4. Рациональные числа Q– это числа представимые обычными дробями в виде , где mє
Z, nє
N (или конечными, или бесконечными периодичными дробными).


Определение 5. Иррациональные числа I – это числа, представимые бесконечными непериодическими десятичными дробями и непредставимые в виде .


Определение 6. Вещественные (действительные) числа R – объединение множества рациональных и иррациональных чисел.


R=QI


Определения 7. Неравенство – соотношение между величинами, показывающее, что одна величина больше или меньше другой.


Например: ,


Известно, что все неравенства подчиняются определенным свойствам, таким как:


а) a<b, b<ca<c


b) ab, baa=b


c) ab a+cb+c


d) a0 -a0


Определения 8. Доказать неравенство – установить истинность неравенства.


Неравенства бывают разными: с одной, двумя и более переменными, со степенями. Ля каждого неравенства существует свой способ доказательств. Мы рассмотрим еще один способ: через одномонотонные последовательности.


Определение 9. Следствие – из двух неравенств одно является следствием другого, если область истинности второго неравенства содержит в себе область истинности первого неравенства.


Обозначение: f1
(x)>f2
(x)ц1
(x)>ц2
(x) – второе неравенство – следствие первого.


Определение 10. Два неравенства называются равносильными, если каждое из них является следствием другого. Иначе это можно сформулировать так: два неравенства считаются равносильными, если их множества значений переменных, для которых они истинны, совпадают.


Обозначаются равносильные неравенства: f1
(x)>f2
(x)ц1
(x)>ц2
(x)


Эти определения аналогичны соответствующим определениям для уравнений. Как и для уравнений, можно сформулировать утверждения о действиях, преобразующих данное неравенство в равносильное ему. Такими действиями могут быть:


– прибавление к обеим частям неравенства одного слагаемого;


– перенос слагаемого с противоположным знаком из одной части неравенства в другую;


– умножение обеих частей на положительное число или положительную функцию и т.д.


Следует, однако, производя эти действия, следить, чтобы не изменилась область допустимых значений, так как иначе будет нарушена равносильность этих неравенств.


Определение 11. Метода математической индукции – метод доказательства неравенств, путем схожести доказательств от самого легкого к самому сложному.


Например, Р(n) – некоторое утверждение, зависимое от n є
N


1) Проверяем правдивость Р(1)


2) Предполагаем, что P(k) истинно


3) Доказываем истинность Р(k+1)


4) Заключаем, что Р(n) истинно для любых n.


Определение 12. Одномонотонные последовательности – это последовательности чисел вида (
а1
а2
… аn
)(
b1
b2 …
bn
)
записанных в виде таблицы, где наибольшее из чисел а1
а2
… аn
находится над наибольшим числом из чисел b1
b2 …
bn
и второе по величине из чисел а1
а2
… аn
над вторым по величине из чисел b1
b2 …
bn
и т.д., другими словами обе последовательности одновременно возрастающие или одновременно убывающие.


Определение 13. Произведение одномонотонных последовательностей (а1
, а2
, …аn
), (b 1
, b2
,…bn
), …( d 1
, d 2
,…, dn
) это число вида


= а1
b1
…d1
+а2
b2
…d2
+ …+an
bn
…dn


2. Обоснование метода одномонотонных последовательностей для случая с произвольным числом переменных


Данный параграф разбит на пункты, в которых мы попробуем прийти к самому общему доказательству, для случая k последовательностей с n числом переменных, с помощью метода математической индукции.


2.1 Доказательство неравенств с минимальным числом переменных


а1
*b1
– неравенство с минимальным числом переменных. Тогда


= a1
b1.


Так как это неравенство минимальное из всех существующих, то сравнивать с похожим неравенством его просто невозможно.


2.2
Случай с двумя последовательностями из двух переменных


Если = a1
b1
. то =а1
b1
+а2
b2


Теорема 1. Пусть (а1
а2)

(b
1

b
2

) – одномонотонные последовательности. Тогда




Доказательство


Действительно,


– =a1
b1
+a2
b2
-a1
b2
-a2
b1
= (a1
-a2
) (b1
-b2
)


Так как последовательности (а1
а2
)(b1
b2
) одномонотонны, то числа a1
-a2
и b1
-b2
имеют одинаковый знак. Поэтому


(a1
-a2
)(b1
-b2
) 0.


Теорема доказана.


Упражнения


Данные ниже упражнения мы решим с помощью Теоремы 1


Упражнение №1
.


Пусть a и b – положительные вещественные числа.


Доказать неравенство


a3
+b3
a2
b+b2
a.


Доказательство.


Заметим, прежде всего, что


a3
+b3
=, a2
b+b2
a =


А так как последовательности (a2
, b2
), (a, b) одномонотонны, то



А это значит, что a3
+b3
a2
b+b2
a.


Что и требовалось доказать.


Докажем это же неравенство, но другим способом.



Значит a3
+b3
a2
b+b2
a.


Что и требовалось доказать.


Мы не можем сказать какой из методов доказательства решения легче, так как в данном случае оба метода решения неравенства примерно одинаковые по сложности.


Упражнение №2
.


Пусть a и b – положительные вещественные числа.


Доказать неравенство.


а2
+b2
.


Доказательство.


Заметим, прежде всего, что


а2
+b2
=, ,


А так как последовательности (), () одномонотонны, то


.


Что и требовалось доказать.


2.3 Случай с двумя последовательностями из трех переменных


Рассмотрим последовательность (а1
,а2
,а3
) и (b 1
, b2
,b3
), и запишем в виде таблицы



Если последовательность (а1
,а2
,а3
)(b1
, b2
,b3
) записанных в виде таблицы, где наибольшее из чисел а1
,а2
,а3
находиться над наибольшим из чисел b 1
,b2
,b3
, а второе по величине а1
,а2
,а3
находиться над вторым по величине из чисел b 1
,b2
,b3
, и где наименьшее из чисел а1
,а2
,а3
находиться над наименьшим из чис

ел b 1
,b2
,b3
то последовательность одномонотонная.


Если =a1
b1
, и =а1
b1
+а2
b2
, то =а1
b1
+а2
b2
+a3
b3


Для доказательства следующих теорем нам понадобится одно свойство одномонотонных последовательностей, которое оформим в виде леммы.


Лемма. Если (а1
, а2
, …а

n

) и (b 1
, b2
,…

bn

) одномонотонные последовательности, то их произведение не изменится при перестановки местами столбцов.


Доказательство.


Рассмотрим последовательность с двумя переменными из двух переменных.


=а1
b1
+а2
b2
.


Заметим, что а1
b1
+а2
b2
= а2
b2
+ а1
b1
по переместительному свойству сложения. Значит, в самой таблице мы тоже можем переставлять столбцы переменных, при этом сохраняется одномонотонность последовательности. То есть


=


Теперь рассмотрим последовательность с двумя последовательностями из трех переменных.


=а1
b1
+а2
b2
+a3
b3
.


Кроме того, что мы можем поменять переменные по переместительному свойству, а по сочетательному свойству мы можем объединять некоторые слагаемые, сохраняя одномонотонность последовательности. То есть


а1
b1
+а2
b2
+a3
b3
= (a3
b3
+а2
b2
)+ а1
b1
=


Лемма доказана


Теорема 2. Пусть (а1
а2
а3
), (b1
b2

b
3

) – одномонотонные последовательности и ()(
здесь и в дальнейшем) любая перестановка чисел b1
b2

b
3

. Тогда


.


Доказательство.


Действительно, если последовательность отличается от (b1
b2
b3
) то найдется пара чисел k, l (1k<l3) такая, что последовательности (ak
, al
) и (bk
, bl
) не одномонотонны. Значит, поменяв местами числа и , мы увеличим всю сумму, а значит и всю сумму . То есть


, так как .


Очевидно, что за конечное число попарных перестановок элементов 2-ой строки можно получить одномонотонную последовательность.


Теорема доказана


Упражнения


Данные ниже упражнения мы решим с помощью Теоремы 2


Упражнение №1.


Пусть a и b и c – положительные вещественныечисла.


Докажите неравенство.


a3
+b3
+c3
a2
b+b2
c+c2
a.


Доказательство.


Заметим, прежде всего, что


a3
+b3
+c3
=, a2
b+b2
c+c2
a =


А так как последовательности (a2
, b2
, c2
), (a, b , c) одномонотонны, то


.


А это значит, что a3
+b3
+c3
a2
b+b2
c+c2
a.


Что и требовалось доказать.


Упражнение №2.


Пусть a и b и c – положительные вещественныечисла.


Докажите неравенство.


.


Доказательство.


Заметим, прежде всего, что



и (a, b, c) и () одномонотонные последовательности, то


,


.


Складывая эти неравенства, мы получаем


.


Отделим дроби с одинаковым знаменателем в правой части


.


Вычислив, получаем


.


А это значит, что


Что и требовалось доказать


2.4 Случай с двумя последовательностями из
n
переменных


Рассмотрим одномонотонные последовательность (а1
, а2
, …аn
) и (b 1
, b2
,…bn
)


Если =a1
b1
, и =а1
b1
+а2
b2
, то =а1
b1
+а2
b2
…an
bn


Теорема 3. Пусть (
а1
а2
… аn
), (
b1
b2 …
bn
) – одномонотонные последовательности и ()перестановка чисел b1
b2 …

bn

. Тогда


.


Доказательство.


Действительно, если последовательность () отличается от (b1
b2 …
bn
) то найдется пара чисел k, l (1k<ln) такая, что последовательности (ak
, al
) и (bk
, bl
) не одномонотонны. Значит, поменяв местами числа и и , мы увеличим всю сумму, а значит и всю сумму . То есть


,


так как .


Очевидно, что за конечное число попарных перестановок элементов 2-ой строки можно получить одномонотонную последовательность.


Теорема доказана.


Следствие.


Для любого nN верно


.


Доказательство.




Но последовательности (а1
а2
… аn
) и () не являются одномонотонными, и поэтому мы не можем воспользоваться теоремой 3.


Однако эти последовательности противомонотонны: числа в последовательностях расположены в обратном порядке – самому большому по величине соответствует самое маленькое, а самому маленькому соответствует самое большое. А из противомонотонных последовательностей сделать одномонотонные очень просто – достаточно все числа второй линии взять со знаком минус. В данном случае одномонотонными являются последовательности


(а1
а2
… аn
) и ()


Поэтому




Отсюда и следует искомое неравенство


Следствие


Для любого nN верно



(Неравенство Чебышева).


Доказательство.


В силу теоремы 3 справедливы следующие nнеравенства



Значит




В этих неравенствах левая часть не изменяется, а в правой части элементы второй строки меняются циклически.


Складываем все и получаем



Что и требовалось доказать


Упражнение №1.


Пусть a и b и c – положительные вещественныечисла.


Докажите неравенство.


a3
+b3
+c3
+d3
a2
b+b2
c+c2
d+d2
a.


Доказательство.


Заметим, прежде всего, что


a3
+b3
+c3
+d3
=, a2
b+b2
c+c2
d+d2
a=.


А так как последовательности


(a2
, b2
, c2
, d3
), (a, b , c, d)


одномонотонны, то


.


А это значит, что a3
+b3
+c3
+d3
a2
b+b2
c+c2
d+d2
a.


Что и требовалось доказать.


Доказательство этого неравенства с помощью одномонотонных последовательностей я не могу сравнить с другим доказательством, так как доказать другим способом это неравенство я не смогла.


2.5 Случай с
n
последовательностями из
n
переменных


Рассмотрим одномонотонные последовательность (а1
, а2
, …аn
), (b1
, b2
,…bn
), …(d1
, d2
,…, dn
).


Если =a1
b1
, и =а1
b1
+а2
b2
, и =а1
b1
+а2
b2
…an
bn
,


то = а1
b1
…d1
+а2
b2
…d2
+ …+an
bn
…dn


Теорема 4. Рассмотрим одномонотонные последовательности
(а1
, а2
, …аn
), (b 1
, b2
,…bn
), …, (d1
, d2
,…,dn
). Тогда


.


Доказательство.


Действительно, если последовательность (a1
, а2
, …аn
), (b'1
, b'2
,…b'n
), …, (d'1
, d'2
,…,d'n
) отличается от (а1
, а2
, …аn
), (b 1
, b2
,…bn
), …, (d1
, d2
,…,dn
), то найдутся переменные k, l (1k<ln) такие, что последовательности (ak
, al
) и (bk
, bl
) …(dk
, dl
) не одномонотонны. Значит, поменяв местами числа ,, ak
, al
… dk
, dl
мы увеличим всю сумму, а значит и всю сумму . То


есть


,


так как .


Очевидно, что за конечное число попарных перестановок элементов n-ой строки можно получить одномонотонную последовательность.


Теорема доказана.


Пример




Упражнение 1


Пусть а1
, а2
, …аn
- положительные вещественные числа.


Докажите, что


Это неравенство называется неравенством Коши о среднем арифметическом и среднем геометрическом. Докажем его двумя способами


Доказательство.


Перепишем его в виде:


, введя новые переменные




Имеем





Если сравнить эти два доказательства неравенства, можно заметить, что доказательство с помощью одномонотонных последовательностей гораздо легче в сравнении с доказательством Коши.


неравенство одномонотонный последовательность коши


Заключение


Работая по данной теме, я узнала новый способ доказательства неравенств, вспомнила уже изученные способы доказательства неравенств. Все упражнения в работе я решала сама.


Список использованной литературы


1. Большой справочник школьника. 5 – 11 кл. М. Дрофа, 2001 г.


2. В.В. Зайцев, В.В. Рыжков, М.И. Сканави. Элементарная математика (повторительный курс). М., Наука. 1976 г.


3. Р.Б. Алексеев, Л.Д. Курлядчик. Нетрадиционные способы доказательства традиционных неравенств. /Математика в школе. 1991 г. №4


4. Л. Пинтер, Й. Хегедыш. Упорядоченные наборы чисел и неравенства. /Квант. 1985 г. №12.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Доказательства неравенств с помощью одномонотонных последовательностей

Слов:2372
Символов:21403
Размер:41.80 Кб.