不等式问题中的数学思想

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  摘 要:通过初中、高中的学习我们接触并学习到了不等式及相关阶梯方法,在高考中,不等式与推理证明又是密不可分的,占的分数比重也比较高,所以我们高中生有必要学好不等式这一定理。不等式与推理证明内容丰富,涉及考题变化万千,在复习这一内容时,只有抓住重点方可事半功倍,本文分析不等式问题中的一些数学思想。
  关键词:不等式;推理;考题
  一、 引言
  不等式,我们作为高中生对这个概念很熟悉,经常学到、解题中会经常用到,不等式包含了很多的内容哪个包含了很多数学的性质在其中。例如对称性、传递性、加法单调性(即同向不等式可加性)、乘法单调性、同向正值不等式可乘性、正值不等式可乘方、正值不等式可开方等等很多,不等式的分类也有很多,例如有琴生不等式、均值不等式、绝对值不等式、权方和不等式、赫尔德不等式、基本不等式等等,在这里就不一一叙述了,这些不等式中都包含了数学思想,对解题很有帮助。
  二、 不等式包含的数学思想
  我们都知道,不等式只是我们高中学习众多内容的一部分,但是却体现出了很多的数学思想,通过高中学习,我们知道证明不等式的一些基本方法:比较法、综合法、分析法、反证法、放缩法和数学归纳法等,最常见的有比较法、综合法和分析法,這三种方法要求我们能熟练应用。此外,构造函数,利用导数研究该函数的单调性,并利用函数的单调性证明不等式。
  (一) 不等式的解法有解题模式,例如:
  1. 知和求积的最值:求解此类问题的关键:明确“和为定值,积有最大值”。但应注意以下两点:①具备条件——正数;②验证等号成立。
  2. 知积求和的最值:明确“积为定值,和有最小值”,直接应用基本不等式求解,但要注意利用基本不等式求最值的条件。
  3. 构造不等式求最值:在求解含有两个变量的代数式的最值问题时,通常采用“变量替换”或“常数1”的替换,构造不等式求解。
  4. 利用基本不等式求最值时应注意:①非零的各数(或式)均为正;②和或积为定值;③等号能否成立,即“一正、二定、三相等”,这三个条件缺一不可。
  以上通用解法我们可以看出来,这不仅是解题不等式,数学中也是如此,数学思想里包含了以上的模式,数学学科里,每个题目都有类似的解题通用模式,数学里很多都是给出已知条件,根据已知条件进行推理、分析,以达到解题的目的,这也很符合数学思想,得到完美体现。
  (二) 不等式的证明
  证明不等式的基本方法:比较法、综合法、分析法、反证法、放缩法和数学归纳法等,最常见的有比较法、综合法和分析法,这三种方法要求我们能熟练应用。此外,构造函数,利用导数研究该函数的单调性,并利用函数的单调性证明不等式,是高考压轴题中常见的题型,我们也应掌握。
  比较法证明不等式:
  例如设a,b是非负实数,求证:a3 b3≥ab(a2 b2)。
  证明:由a,b是非负实数,作差得
  a3 b3-ab(a2 b2)=a2a(a-b) b2b(b-a)=(a-b)((a)5-(b)5),
  当a≥b≥0时,a≥b,从而(a)5≥(b)5,得(a-b)((a)5-(b)5)≥0;
  当0≤a0
  (b c) (c a)≥2(b c)(c a)>0,
  三式相乘得①式成立,故原不等式得证。
  分析法是证明不等式的重要方法,当所证不等式不能使用比较法且与重要不等式、基本不等式没有直接联系,较难发现条件和结论之间的关系时,可用分析法来寻找证明途径,使用分析法证明的关键是推理的每一步必须可逆。此不等式解题中,也运用了数学思想,推理也是数学中经常用到的解题方法之一,此证明方法也表现出了很强的数学思想。
  均值不等式在初等数学中有着非常广泛的应用,在证明不等式成立问题或解决最值问题时,作用显得尤为突出。利用均值不等式解题的关键是凑“定和”和“定积”,要根据不等式的结构,配合一定的变形技巧,比如拆分、配凑等方法,把复杂问题转化为适合使用均值不等式结构的简单问题,从而顺利解决问题。
  在分析数学中有些不等式的证明往往比较复杂,若运用代数方法较难得到解决,而且具体的直观含义也比较抽象。因此,为了简化这些不等式的证明过程,通过阅读大量的相关资料,本文从数学的基本概念入手,运用了1种巧妙的方法——概率方法,即根据不等式的主要特征,结合概率论的1些基本概念和公式,通过建立1个适当的概率模型,赋以1些随机事件或随机变量的具体含义,再利用概率论的理论加以证明,讨论了柯西(Cauchy)不等式,级数不等式,詹森(Jensen)不等式和几个1般不等式的证明。本文通过对利用概率方法证明不等式进行了分析,从而得出:概率方法可以为抽象的数学问题提供具体的概率背景,同时还沟通了各数学分支之间的联系;显示了概率应用的巧妙性和优越性,大大简化了不等式的证明过程。
  解题不等式有个定理口诀,如下:
  解不等式的途径,利用函数的性质。对指无理不等式,化为有理不等式。
  高次向着低次代,步步转化要等价。数形之间互转化,帮助解答作用大。
  证不等式的方法,实数性质威力大。求差与0比大小,作商和1争高下。
  直接困难分析好,思路清晰综合法。非负常用基本式,正面难则反证法。
  还有重要不等式,以及数学归纳法。图形函数来帮助,画图、建模、构造法。
  以上的口诀和数学思想中的一些定理很类似,都是通过已有的代入,或者类比,更简便的得到结果,达到解题的目的。二者有很大的相似之处。
  三、 总结
  数学思想在不等式中的体现有很多,很多题型或者方法中都得以体现,数学思想可以应用与各个不等式或者说,应用与各个定理、推论中,数学思想的等价、转化等思想是永恒的,好好理解数学思想的真谛,有利于我们高中生学好各个学科、全面发展。
  作者简介:
  钱宇航,河北省石家庄市,石家庄市精英中学。
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