一个初等不等式的研究一个初等不等式的研究

来源 :数学学习与研究 | 被引量 : 0次 | 上传用户:ZXCVB1230ZXCVB
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  【摘要】本文通过对一个初等不等式x3+y3+z3≥3xyz(x,y,z∈R+)进行研究,得到若干推广形式及一些应用,文中还留下了几个猜想。
  【关键词】不等式;推广;应用;猜想
  
  不等式x3+y3+z3≥3xyz,①x,y,z∈R+是中学里一个简单且常见的不等式!
  然而它的内涵与外延是如此的丰富,似乎出乎我们的意料之外。本文将给出此不等式的若干推广形式及一些应用,并提出几个猜想。
  一、不等式的证明
  不等式①的证明似乎不难,左-右=12(x+y+z)[(x-y)2+(y-z)2-(z-x)2]≥0即得。
  有意义的是由此证明以及经过简单的代数变形,我们可以给出一些有趣的推广及应用。
  二、不等式的推广
  以下我们给出几个命题,题中条件均为x,y,z∈R+。
  命题一 (a)x3+y3+z3≥3xyz+z(x-y)2+x(y-z)2+y(z-x)2。
  ②
  (b)xyz≥(x+y-z)(y+z-x)(z+x-y)。
  ③
  命题二 (a)x3+y3+z3≥3xyz+x+m2(y-z)2+y+m2(z-x)2+z+m2(x-y)2。(其中m=min{x,y,z})
  ④
  (b)xyz-m2[(x-y)2+(y-z)2+(z-x)2]≥(x+y-z)(y+z-x)(z+x-y)。
  ⑤
  命题三 (a)27x2y2z2(x+y+z)3≥(x+y-z)(y+z-x)(z+x-y)。
  ⑥
  (b)x2y2z227(x+y+z)327xyz(x+y+z)3+83≥(x+y-z)(y+z-x)(z+x-y)。
  ⑦
  不等式③展开后整理即得②,展开后知不等式④与⑤也是等价形式,④显然强于②。
  下面证明不等式④,不妨设x≥y≥z,则m=z。
  左?右=12(x+y+z)[(x-y)2+(y-z)2+(z-x)2]-x+z2(y-z)2-y+z2(z-x)2-z+z2(x-y)2=12(y-x)(y-z)2+12(x-y)(z-x)2+12(x+y-2z)(x-y)2=12(x-y)[(z-x)2-(y-z)2]+12(x+y-2z)(x-y)2。∵(z-x)2≥(y-z)2,x-y≥0,x+y-2z≥0,即得左-右≥0,得证。
  命题三的证明:
  (a)不妨设x≥y≥z,若y+z≤x显然成立,以下考虑y+z>x。
  证法一 将半角公式cosA2=12 (x+y+z)(y+z-x)yz,
  cosB2=12(x+y+z)(z+x-y)zx
  cosC2=12(x+y+z)(x+y-z)xy,
  代入三角不等式cosA2cosB2cosC2≤338整理即得不等式⑥。
  证法二 展开③右端得xyz≥x(y2+z2-x2)+y(z2+x2-y2)+z(x2+y2-z2)-2xyz。
  两边加上6xyz整理即得
  9xyzx+y+z≥x(y+z-x)+y(z+x-y)+z(x+y-z)。
  由平均值不等式知,
  右端≥33xyz(x+y-z)(y+z-x)(z+x-y) 。
  两边立方后整理即得。
  (b)展开⑥式右端得27x2y2z2(x+y+z)3≥x(y2+z2-x2)+y(z2+x2-y2)+z(x2+y2-z2)-2xyz。
  两边加8xyz整理得27x2y2z2(x+y+z)4+8xyzx+y+z≥x(y+z-x)+y(z+x-y)+z(x+y-z)。
  此式右端≥33xyz(y+z-x)(z+x-y)(x+y-z)。
  两边立方整理即得⑦。
  注记:由此证法事实上我们可以得到不等式③的一个无穷的加强不等式链。
  如x2y2z227(x+y+z)3xyz27(x+y+z)327xyz(x+y+z)3+83+83≥(x+y-z)(y+z-x)(z+x-y)等等,很有规律性。
  三、不等式的应用和猜想
  例 当x,y,z为三角形三边时,不等式③代入海伦公式整理即得3xyz(x+y+z)≥43Δ。
  ⑧
  另外我们熟知x2+y2+z2≥43Δ。
  ⑨
  由于x2+y2+z2≥13(x+y+z)2且x+y+z≥3 3zxy知不等式⑧强于⑨。
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