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数学女孩 作者:结城浩 近现代)

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5.3 不等式

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“因此,以下不等式成立。”

因为章节插图大于等于 0,所以展开后也应该大于等于 0,对吧,泰朵拉。”

“嗯,是这样。但是,不应该说‘r2 大于 0’,而应该说‘r2 大于等于 0’。‘大于 0’或‘比 0 大’这种说法不包括 0。”

这个不等式开始的,我们回想一下就会发现,这个不等式取等号时,就是a=b的时候(也就是x=y的时候),这样一来你就会觉得很好理解。”

“嗯?哦,是啊。如果r是实数的话,那么r2 大于等于 0。实数r有三种情况:正数、零、负数。无论r是其中哪一种,将r平方后,所得的数字都大于等于 0。所以r2 ≥ 0 这个不等式成立。这是当我们被告知‘r为实数’这一条件时所应该注意的一个重要性质。不等式符号为等号时,r为 0。”

“啊…… 是不是‘xy同时为 0’啊?”她答道。

“嗯。”泰朵拉虽然应了声,但是她表情严肃,陷入了沉思。

章节插图

“哦,对哦。如果r为 0 的话,r2 也变成 0 了。对,应该说‘大于等于 0’。”泰朵拉赞同地点了点头。

章节插图

“原来如此。”她说。

“如果不想加上ab≥ 0 这个条件的话,只要证明在ab< 0 时不等式也能成立就可以了。”

这个等式成立,xy的关系是什么呢?”我问道。

“啊!原来如此。因为这是a2 和b2 相加后除以 2 所得的数。”她恍然大悟。

“嗯?这样啊?如果我把x= 3 且y= 3 代入,左边章节插图,右边章节插图。啊!还真是左右相等啊。”

“这样啊……今后我一定注意观察。我每次见到数学公式,就总想着必须尽快把它背下来。”

“所以左边 ≥ 右边这个不等式可是成立的哦,学长。”泰朵拉得意地说。

章节插图

“什么方面都可以啊。既然已经搞懂了章节插图这个不等式,那接下来应该考虑数学公式。关于数学公式,你先说说看,什么都可以。或者你自己写下来?”我说着,把自动铅笔递给她。

“那从这个式子中又能看出什么呢?”我问。

“嗯,没错。不等式的左边是‘两个数相加后再除以 2’,也就叫作算术平均数。不等式的右边是‘两个数相乘后再开根号’,也就叫作几何平均数。基本不等式就是指算术平均数不小于几何平均数这样一种关系。”

“你的说法是没有错。但是你说xy一定要同时为 0,我看没这个必要吧。x=y就可以了啊。”

“泰朵拉,这次公式的变形是从

泰朵拉一边说着“不好意思”,一边将椅子移到我身边,看我在练习本上写东西。这时,我闻到一股甜甜的香味。这是和米尔嘉不同的香味。——这不是理所当然的吗?我心想。

泰朵拉又想了想,最终还是摇摇头说:“我也不知道。”

我又继续说:“好了,这下我们就可以将不等式左右两边用a2 和b2 来 表示了。我们把a2 称为x,把b2 称为y。”

泰朵拉本来在看公式,听了我的话她突然抬起头,眨了眨眼,笑了,一副很开心的样子。

“那好,我再用其他数字代入验证一下。当x= -2 且y= -2 的时候会如何呢?左边章节插图,右边章节插图。咦,怎么左右两边不相同?”

章节插图

“啊,我中计了。还要加上个条件呀。”她叫道。

“泰朵拉,你观察得很仔细啊。确实,即使不加ab≥ 0 这个条件也可以。那该怎么办呢?”我问。

“嗯,是啊。但是,接下来该怎么办呢?”她问。

“那么接下来再说哪方面的内容呢?”我试探着问她,泰朵拉的眼球滴溜溜地转着。

“不是什么特别重大的发现也可以啊。比如说,关于实数ab,我们可以这么说。

“您说的哪方面是指什么方面呢?”她问。

“没有,不是说这种情况下就应该这么做,我只是碰巧想到而已。”我说。

“嗯。”她表示理解。

“接下来的一步可能会有一点跳跃,你可得仔细看喽。为了将右边的ab也变成含有a2 和b2 的形式,我们进行如下变形。你看下面这个等式能够恒成立吗?”我问道。

“啊?为什么这样啊?”她感到不可思议。

泰朵拉微微一笑,目光闪烁,仿佛在期盼着我继续讲下去。她真是个表情丰富的女孩。哦,她还是个喜欢打破砂锅问到底的女孩。

章节插图

“嗯,不错。那么你想想看,通过这两个式子你能发现什么?”我问。

xy这两个数是平方后所得的数,所以它们都一定大于等于 0。也就是说x≥ 0,y≥ 0。如此一来,刚才的不等式就可以这样表示,简单了很多。你觉不觉得这个式子有点眼熟呢?”我问。

“这样可以了吗?”她问道。

“如果你把它称为‘公式’,就很容易认为只要将它死记硬背就可以了,你还会认为自己不能对其进行变形。但是,如果经常进行一些公式变形的练习的话,你对于数学公式那种崇拜瞻仰之情就会逐渐减淡,就会觉得这玩意儿简直是小菜一碟。

“这个我知道,叫什么基本不等式吧。”她说。

“嗯,好啊。刚才我写的r是实数 real number 的首字母。但无所谓,用x也可以,用w也可以。一般常数多会用字母abc表示,参数多用字母xyz表示。总之用什么字母都可以。虽说如此,如果把n设为实数的话,还是很令人吃惊的。因为n一般都用来表示整数和自然数。——嗯,这样解释能理解吗?”我问。

“当ab< 0 时,ab两个数中必定一个为正,一个为负。假设a> 0,b< 0,cb的相反数,c= -b。因为b小于 0,所以c大于 0。因为无论实数取何值,不等式章节插图都成立。所以,以下式子也就成立。”

“也就是说,无论r为何值,以下不等式都能成立。是这样吧?”她问我。

“让我想想。先将ab平方后再开方对吧。先平方后开方……又变回原来的数字了。嗯,我想这个式子是恒成立的吧。”她回答说。

章节插图x≥ 0 且y≥ 0 时

章节插图

“让我想想……噢,对。a-b是实数,因为它是实数,所以平方后的数大于等于 0。——啊,您能等一下吗?刚才写不等式r2 ≥ 0 时用了字母r吧。为什么这道题中用字母ab呢?我总会在这种问题上陷入冥思苦想。每当这时,老师就往下讲了。”她说。

章节插图ab≥ 0 时

“啊,我明白了。‘任意实数’的意思就是‘无论是什么实数都……’吧?”她问。

“‘任意’一词是指‘不管怎样的’‘无论……都……’的意思。它在英语中就和 any 这个词的意思一样。有时候也会用‘就所有的……而言”这一说法,在英语中称为‘for all…’。”我答道。

“然后,我们刚才所说的不等式章节插图可以改写成这样的形式。”

“嗯,这个式子的左边含有a2 和b2,于是我想试着将右边也写成含有a2 和b2 的形式看看。”我说。

“啊,好的。”她说。

“与其说是自己创造的,倒不如说是自己将公式推导出来的。今后你注意观察一下,公式推导可以以例题形式出现,也可以以练习题的形式出现。”我说。

章节插图ab≥ 0 时

“哦,确实是这样……”泰朵拉一行一行地确认了我写的算式后,点了点头。

“嗯,这是从r2 ≥ 0 这个条件推导出的公式吧。”泰朵拉感慨万千地说。

“对了,顺便问问你,基本不等式中,不等式在什么情况下取等号你知道吗?也就是说,要使

章节插图

“不对哦。先平方再开方,能够变回原来的数字的只有大于等于 0 的数字。ab也有可能是负数,如果不加上一个条件,以上式子就不成立了。”我说。

“你仔细看左边,章节插图可以看作是a2 与b2 的平均值,对吧?”

“实数r无论取何值,不等式r2 ≥ 0 都成立。在一个不等式中,如果不论用任何实数代入该不等式,它都是成立的,那么这样的不等式叫作绝对不等式。”我说。

泰朵拉一直盯着写在练习本上的数学公式,思考了许久后,终于抬起头说:“嗯,我懂了,能够接受这个答案了。——啊,对了,我还要问一个问题,‘任意’到底是什么意思呀?”

章节插图

“不对。——也不是说你完全不对,是没有答全。”我说。

章节插图

“这样啊……”她将信将疑。

章节插图

“那现在就开始喽。对了,我们先假设r为实数。这时,我们将r平方后得到数字r2。你能说出关于r2 的一些特征吗?你想想看。”我说。

“绝对不等式……”她重复着我的话。

“不,学长,我总觉得有点奇怪。这个ab≥ 0 的条件为什么是必不可少的呢?我不能接受。ab< 0 的时候,难道不等式就不成立了吗?那好,我现在就来举例证明。如果a为 2,b为 -2 的话,左边和右边分别变成以下形式。”

“喂,泰朵拉,你忘记x≥ 0 且y≥ 0 这个条件啦。”

基本不等式

章节插图

x≥ 0 且y≥ 0。当x=y时取等号。

“从‘无论代入哪个数字都成立’这点来看,绝对不等式和恒等式非常相似。唯一的区别就是绝对不等式是不等式,而恒等式是等式。”

“嗯……”她回答不出。

听了我的问话后,泰朵拉想了几秒钟说:“r2 是r平方后所得的,肯定比 0 大吧?——是这样吧?”

“到此为止,我们讨论的是‘a为正数,b为负数’的情况,同样地,‘a为负数,b为正数’的情况也能用此方法推导。所以,对于任意实数ab,以下不等式成立。”

“如果一开始就想把数学公式按照死记硬背的方式记的话,反而无法真正掌握。最关键的是在自己动手推导的基础上加以理解。在还没有理解的情况下就要背下来,一般不太可能。”我说。

“能看出什么呀?”她不太明白。

“嗯,我明白了。”她说。

“啊呀!对哦对哦,我真是稀里糊涂,把这个条件给忘了。我东想西想,最后却把条件忘记了。”泰朵拉挠着头,吐了吐舌头。

“嗯……可这看起来是理所当然的呀。”她说。

章节插图

“嗯,能。不好意思,我再插一句,我一直对字母的使用一知半解……但是,对于章节插图这个不等式我是理解了。”

“那么,我们再由此继续深入下去。假设ab为实数,这时章节插图也成立。能懂吗?”我问。

“是啊,比如说,假设a= 2,b= -2,你一想就会明白。左边ab= 2·(-2) = -4,而右边章节插图,左右不相等,对吧?”

“对,这是理所当然的哦。”

“啊,原来这样啊……数学公式是可以自己创造的呀。”她说。

“我们来分别讨论一下这个式子的左边和右边。”

“嗯,像这样代入具体数值进行验证的方法是非常重要的。举例是理解的试金石。”我夸她道。

“原来这样啊。”她说。

“嗯,接下来就要试着进行公式变形了。比如说,将 -2ab这项移项到右边看看。移项后 -2ab的符号改变,变成 2ab。”我说。

章节插图

“好。那么,我先将它展开看看。”她说。

章节插图

“那么,接下来我们加上一个条件吧,假设ab大于等于 0。”我说。

“然后再两边同时除以 2,就变成这样的形式。”

章节插图ab为任意实数时

“啊?难道不对吗?xy同时为 0 的时候,左右两边都为 0,等式成立的呀。”她辩解道。

章节插图a> 0 且b< 0 时

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