本文将再次谈到对称这个话题,不过这一次的对象不是“等式”,而是“不等式”。
在数学研究中,我们经常会遇到各种各样的函数式子,其中有相当一部分是“对称”的。什么是对称的函数呢?对称有很多种说法,但是针对于多元对称式,我们的定义为满足$f(x_1,x_2,...,x_n)=f(y_1,y_2,...,y_n)$的函数,其中$(y_1,y_2,...,y_n)$是$(x_1,x_2,...,x_n)$的任意一个排列。通俗来讲,就是将式子中任意两个未知数交换位置,得到的式子还是和原来的式子一样。例如$sin x+sin y$,把x,y交换位置后得到$sin y+sin x$,还是和原来的一样;再如$xy+yz+zx$,将y,z互换后可以得到$xz+zy+yx$,结果还是和原式一样;等等。有些对称的函数是一个n次的多项式,那么就叫它为n次对称多项式,上边的例子$xz+zy+yx$就是一个三元二次对称多项式。
在数学竞赛中,很多题目都专门设置了一种技巧,这种技巧在很大程度上是不怎么理所当然的,换句话说,难以“顺理成章”地想下去,或者是说方法不成系统的,这也是我有点不喜欢数学竞赛题目的一个原因。当然,另一方面,个人认为数学竞赛比物理竞赛更能锻炼一个人的思维能力,尤其是在抽象思维以及几何想象能力等,因此做一些这样的题目也会有好处的。
下面就是一道很经典的竞赛题,它是在韩国举行的第42届IMO中的题目:
设a,b,c都是正实数,求证:
$\frac{a}{sqrt{a^2+8bc}}+ \frac{b}{sqrt{b^2+8ac}} + \frac{c}{sqrt{c^2+8ab}} \geq 1$
前几天做到了一道不等式题目,求2a-b的值域。其中
$1 < a + b < 2$————(1)
$-2 < a - b < -1$————(2)
老师很高兴地把两式左右两边加起来,得到$-1<2a<1$;然后把第二式乘以(-1),得到$1 < b - a < 2$,然后再与(1)相加,得到$2 < 2 b< 4 => 1 < b < 2$;接着把这式子乘上(-1),然后与$-1<2a<1$相加。于是结果很显然,$-3<2a-b<0$。读者们,你们觉得这做法有问题吗?
2a>2a>这是一道很多时候都会考到的题目:
比较$n^{n+1}$与$(n+1)^n$的大小(其中n非负)。
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关于这个不等式由来已久,从$\frac{a+b}{2}>=\sqrt{ab}$开始,人们逐渐地发现,只要$a_1,a_2,...,a_n>=0$,那么就一定会有$\frac{a_1+a_2+...+a_n}{n}>=\root{n}{a_1 a_2...a_n}$。对于比较小的n,人们已经可以证明上式成立,但是,一般形式的证明则是近年来的事情。
我自己很早就接触到了这个不等式(好像是3年前,我读六年级),从那个时候开始,我就一直寻找这个不等式的证明,但是除了n=2的情况外,其余一直未果。直到三个月前的一节数学课,在发愣之余就想出来了(^_^)。一开始证明了n=3的情况,然后就势如破竹,证明了对于任何的n,这条不等式都成立。






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