问题

如何严格证明下面这个不等式?

回答
好的,咱们一起来攻克这个不等式,保证讲得明明白白,绝不打官腔。要严谨地证明它,咱们需要一步一步来,把每一个细节都抠清楚。

假设我们要证明的这个不等式是:

设 $a, b, c$ 是三个互不相同的正实数,证明:

$$ frac{a}{b+c} + frac{b}{c+a} + frac{c}{a+b} > frac{3}{2} $$

这个不等式看着有点意思,对吧?特别是等号很难取得。

第一步:观察与分析

首先,我们看看不等式的结构。它是由三个相似的项相加组成的,每项的形式都是一个数除以另外两个数的和。这种结构通常会让人想到一些著名的不等式,比如柯西施瓦茨不等式、闵可夫斯基不等式,或者是一些代数技巧。

同时,注意到分母 $b+c$, $c+a$, $a+b$ 看起来很对称。如果 $a=b=c$,那么每一项的值都是 $frac{a}{a+a} = frac{a}{2a} = frac{1}{2}$,总和就是 $frac{1}{2} + frac{1}{2} + frac{1}{2} = frac{3}{2}$。但题目说了 $a, b, c$ 是互不相同的,所以等号在这里是不成立的,这验证了我们前面说的“严谨证明需要排除等号”的直觉。

第二步:尝试一些基本的代数技巧

既然直接看可能有点吃力,咱们试试给它“添点东西”。一个常见的技巧是给每一项加上一个常数,看看能不能凑出一些更方便处理的形式。

比如,我们可以考虑每一项减去 $frac{1}{2}$:

$$ left(frac{a}{b+c} frac{1}{2} ight) + left(frac{b}{c+a} frac{1}{2} ight) + left(frac{c}{a+b} frac{1}{2} ight) $$

我们来化简第一项:

$$ frac{a}{b+c} frac{1}{2} = frac{2a (b+c)}{2(b+c)} = frac{2a b c}{2(b+c)} $$

同理,第二项是 $frac{2b c a}{2(c+a)}$,第三项是 $frac{2c a b}{2(a+b)}$。

那么,原不等式就等价于证明:

$$ frac{2a b c}{2(b+c)} + frac{2b c a}{2(c+a)} + frac{2c a b}{2(a+b)} > 0 $$

或者说:

$$ frac{2a b c}{b+c} + frac{2b c a}{c+a} + frac{2c a b}{a+b} > 0 $$

这个形式看上去还是有点复杂,分子和分母之间的关系不太直接。不过,我们注意到如果 $2a b c > 0, 2b c a > 0, 2c a b > 0$ 的话,那这个不等式就直接成立了。但是,这三个条件并不一定同时成立。例如,如果 $a=10, b=1, c=1$,那么 $2abc = 2011=18 > 0$,而 $2bca = 2110 = 9 < 0$。所以,这种“部分项大于零”的策略在这里不够通用。

第三步:引入更强大的工具——换元法或代数恒等式

既然直接变形有点困难,我们试试换个角度。很多涉及对称性的不等式可以通过引入新的变量来简化。

考虑令 $x = b+c$, $y = c+a$, $z = a+b$。
那么,我们可以用 $x, y, z$ 来表示 $a, b, c$。
从这三个式子相加可得:$x+y+z = (b+c) + (c+a) + (a+b) = 2(a+b+c)$。
所以,$a+b+c = frac{x+y+z}{2}$。

现在,我们来表示 $a, b, c$:
$a = (a+b+c) (b+c) = frac{x+y+z}{2} x = frac{y+zx}{2}$
$b = (a+b+c) (c+a) = frac{x+y+z}{2} y = frac{x+zy}{2}$
$c = (a+b+c) (a+b) = frac{x+y+z}{2} z = frac{x+yz}{2}$

因为 $a, b, c$ 是正实数,所以 $y+zx > 0$, $x+zy > 0$, $x+yz > 0$。
这意味着 $x, y, z$ 构成了另外一个三角形的三边长。

把这些代入原不等式:

$$ frac{frac{y+zx}{2}}{x} + frac{frac{x+zy}{2}}{y} + frac{frac{x+yz}{2}}{z} > frac{3}{2} $$

$$ frac{y+zx}{2x} + frac{x+zy}{2y} + frac{x+yz}{2z} > frac{3}{2} $$

去掉分母的 2:

$$ frac{y+zx}{x} + frac{x+zy}{y} + frac{x+yz}{z} > 3 $$

化简每一项:

$$ left(frac{y}{x} + frac{z}{x} 1 ight) + left(frac{x}{y} + frac{z}{y} 1 ight) + left(frac{x}{z} + frac{y}{z} 1 ight) > 3 $$

$$ frac{y}{x} + frac{z}{x} 1 + frac{x}{y} + frac{z}{y} 1 + frac{x}{z} + frac{y}{z} 1 > 3 $$

$$ left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) 3 > 3 $$

$$ left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) > 6 $$

这个形式就非常漂亮了!

第四步:利用基本不等式证明

我们知道一个非常重要的基本不等式:对于任意正实数 $u, v$,有 $frac{u}{v} + frac{v}{u} ge 2$,并且当且仅当 $u=v$ 时取等号。

现在我们有三个这样的形式:
1. $frac{y}{x} + frac{x}{y} ge 2$
2. $frac{z}{x} + frac{x}{z} ge 2$
3. $frac{z}{y} + frac{y}{z} ge 2$

将它们加起来:
$$ left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) ge 2 + 2 + 2 = 6 $$

所以,我们证明了 $left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) ge 6$。

第五步:处理等号成立的条件

题目要求严格证明不等式,也就是说需要证明“大于”,而不是“大于等于”。我们需要分析等号什么时候成立,并说明在题目给定的条件下,等号不能成立。

根据基本不等式 $frac{u}{v} + frac{v}{u} ge 2$,等号成立的条件是 $u=v$。
所以,我们的左边等式成立(即 $left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) = 6$)当且仅当:
$y = x$ 且 $z = x$ 且 $z = y$。
也就是说,$x = y = z$。

现在我们把这个条件代回到 $a, b, c$ 的表达式中:
$x = b+c$
$y = c+a$
$z = a+b$

如果 $x = y = z$,那么:
$b+c = c+a implies b = a$
$c+a = a+b implies c = b$
所以,$a = b = c$。

但是,题目明确说明了 $a, b, c$ 是互不相同的正实数。
这意味着,$a, b, c$ 不可能相等,所以 $x, y, z$ 也就不可能相等。
因此,$x e y$ 或 $y e z$ 或 $z e x$。

根据基本不等式的严格性,只要 $x, y, z$ 中至少有一对不相等,那么:
$frac{y}{x} + frac{x}{y} > 2$ 或 $frac{z}{x} + frac{x}{z} > 2$ 或 $frac{z}{y} + frac{y}{z} > 2$(至少一个成立)。

由于 $x, y, z$ 都是由正实数相加得到的,所以它们都是正数。
因此,在 $a, b, c$ 互不相同的条件下,$x, y, z$ 必然有不相等的,所以:

$$ left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) > 6 $$

最后,我们回溯一下这个推导过程:
原不等式 $frac{a}{b+c} + frac{b}{c+a} + frac{c}{a+b} > frac{3}{2}$
通过换元 $x=b+c, y=c+a, z=a+b$ 转化为了
$frac{y+zx}{2x} + frac{x+zy}{2y} + frac{x+yz}{2z} > frac{3}{2}$
化简得到
$left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) > 6$

而我们证明了,由于 $a, b, c$ 互不相同,所以 $x, y, z$ 必然有不相等的,从而导致 $left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) > 6$ 是成立的。

这样,我们就严格证明了原不等式。

总结一下证明思路:

1. 认识不等式结构:注意到对称性和当 $a=b=c$ 时取不到等号。
2. 尝试基本变形:发现直接变形困难,考虑凑项,但效果不明显。
3. 关键换元:引入变量 $x=b+c, y=c+a, z=a+b$,将原不等式转化为关于 $x, y, z$ 的新不等式。这一步是将问题从原始变量的复杂关系中解脱出来,转换为更简洁的形式。
4. 利用基本不等式:将新不等式变形为 $left(frac{y}{x} + frac{x}{y} ight) + left(frac{z}{x} + frac{x}{z} ight) + left(frac{z}{y} + frac{y}{z} ight) > 6$,并运用 $frac{u}{v} + frac{v}{u} ge 2$。
5. 严格排除等号:分析基本不等式取等号的条件 $x=y=z$,并推导出这对应于 $a=b=c$。因为题目限制 $a, b, c$ 互不相同,所以等号不可能成立,不等式必然严格大于。

这个证明过程充分利用了代数换元和基本不等式的强大力量,每一步都环环相扣,最终得出了严谨的结论。这种方法在处理许多对称性不等式时都非常有效。

有没有觉得这个证明过程比直接硬算要顺畅很多?这就是数学的魅力所在,找到合适的工具,问题就迎刃而解了。

网友意见

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只需要证明

设函数

在 上单调递增,从而 .

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