数学竞赛初级讲座 柯西不等式

中学数学教学参考   2001年第9期53

  ○数学竞赛初级讲座柯西不等式

陕西省永寿县中学 安振平

  柯西不等式是一个十分重要的不等式定理, 从近年来国内外各级竞赛中不难看出, 许多涉及不等式的赛题, 若能运用柯西不等式进行求解, 便可获得较为简明的解法.

一、基础知识

1a a a +…+1b 22

2

2

() 2,

b n

a i =b i (λ为常数, i =1, 2, …, n ) 时取等号.

例1 设a 、b 、c 、d 是4个不全为零的实数, 求证

. 2222a +b +c +d

导析:为了使用柯西不等式(必要时还可

2

、a 2a n , b 1、b 2、…、b n 均是实数, 则

(a 1b 1+a 2b 2+…+a n b n ) 2

≤(a 12+a 22+…+a n 2) (b 12+b 22+…+b n 2) , 等号当且仅当a i =λb i (λ为常数, i =1, 2, …,

n ) 时成立.

以应用均值不等式) , 可从欲证不等式左边的分子入手, 并将其进行适当的变形.

ab +2bc +cd

这个命题的证明在一般的竞赛教程中都可以查找到, 这里从略.

21柯西不等式的推论

=(ab +cd ) +(bc -ad ) +(bc +ad )

≤2[(ab +cd ) 2+(bc -ad ) 2]   +

(b 2+a 2) (c 2+d 2)

推论1 设a 1、a 2、…、a n , b 1、b 2、…、b n 为实数, 则有

a 1+a 2+…+a n +

2

2

2

=(a 2+c 2) (b 2+d 2)

b 1+b 2+…+b n

222

   +

(a 2+b 2) (c 2+d 2) 2222≥(a 1+b 1) 2+(a 2+b 2) 2+…+(a n +b n ) 2, 当且仅当a i =λb i (λ为常数, i =1, 2, …, n ) 时等号成立.

推论2 设a

1、a 2、…、a n , b 1、b 2、…、b n 为实数, 则有|

a 1+a 2+…+a n -2

2

2

2

2222   +

2

=

2

(a +b 2+c 2+d 2) . 2

a +2b +c

例2 已知a , b , c ∈R +, 求证

b 1+b 2+…+b n |

2

2

2

+

≤(a 1-b 1) 2+(a 2-b 2) 2+…+(a n -b n ) 2, 当且仅当a i =λb i (λ为常数, i =1, 2, …, n ) 时等号成立.

推论3 设a 1、a 2、…、a n 为实数, b 1、b 2、…、b n 为正实数, 则有

+.

a +b +2c 2a +b +c 4

导析:从欲证不等式的结构看, 可考虑应

用推论3. 为此, 可给左边三项的分子、分母分别乘以a 、b 、c.

左边=

2

+2

a +2ab +ca

22

ab +b +2bc

54

+

2ca +bc +c 2

2

中学数学教学参考   2001年第9期

满足下列方程

2x +3y +z =13,

2

22

(a +b +c 2) +3(ab +bc +ca )

4x 2+9y 2+z 2-2x +15y +3z =82.

2

=

3(a +b +c ) 2+3(ab +bc +ca ) 2

3(a +b +c ) 2+(a +b +c ) 2=. 4

导析:将两方程左右两边分别相加, 变形得 (2x ) 2+(3y +3) 2+(z +2) 2=108. 由第1个方程变形, 得

2x +(3y +3) +(z +2) =18.

于是由柯西不等式, 得

(2x ) +1・() 2) ]2182・

222

1]・[(2x ) y +) +(z

说明:本例的类似是

++2a +b +c a +2b +c a +b +2c 4

218二、综合应用

, 、确定参数的取值范围, 求最值以及几何不等式的证明等方面都有着广泛的应用.

例3 设a 、b 、c 、d 、m 、n 都是正实数, P

=ab +cd , Q =m a +nc +, 试

m n

确定P 与Q 的大小. (1983年高中联赛题)

2x =3y +3=z +2=6,

故原方程的解为x =3, y =1, z =4. 例6 设λ是实数, 对任意实数x 、y 、z 恒λ(x 4+y 4+z 4) 成立, 试求有(x 2+y 2+z 2) 2≤λ的取值范围.

导析:由柯西不等式易求出参数λ的取值

) . 范围是[3, +∞

说明:本题由1990年全国高中联赛题改编.

例7 已知正数x 、y 、z 满足x +y +z =

xyz , 且不等式

导析:由柯西不等式, 得

P =

am +

m

nc n +=Q. m n

≤am +nc +例4 解方程4x +3+2

λ恒成++≤

x +y y +z z +x

立, 求λ的取值范围.

导析:由2元均值不等式和柯西不等式, 得

++x +y y +z z +x

2

) 2

-2x =.

导析:原方程变形为15=(x +

+2-2x ) 22

x +

≤[() 2+22][(+(

1-2x ) ]=15,

2

2=

xy

+

2

yz

+

2

z x

12x +y +z

+1+y +z x +y +z

x +

其中等号成立的充要条件是, 解得x =-.

23

=

 +1[(12+12+12) 2

2() ]= ・++. x +y +z x +y

+z x +y +z 2

例5 求三个实数x 、y 、z , 使得它们同时

中学数学教学参考   2001年第9期55

.

2

51在四面体AB CD 中, 各顶点到对面的

故参数λ的取值范围是[

) . , +∞

2

2

例8 求实数x 、y 的值, 使得(y -1) +

(x +y -3) 2+(2x +y -6) 2达到最小值. (2001年全国初中联赛题)

距离分别为d 1、d 2、d 3、d 4, 四面体内切球半径为r , 求证:d 1+d 2+d 3+d 4≥16r.

61设a 、b 、c 为△AB C 的三边长, 求证:

导析:由柯西不等式, 得

[1+2+1]・[(y -1) (2x +y -6) ]2=1, +1・

2

2

2

2

+(3-x -y ) 2

(y -1) +2・(3-x -y ) +(2x +y -6) 2]≥[1・

222

(a +b +c ) +

7n , b 0、x 1、

2x n , 6x i =a , 6x i 2=b , 试

i =0

i =0

n

n

即 (y -1) 2+(x +y -3) 2+(2x +y -6) 2. 当且仅当=, 611

0.

81已知二次三项式f (x ) =ax 2+bx +c

即x =

x , y =.

26

的所有系数均是正数, 且a +b +c =1, 求证:对于任何正数x 1、x 2、…、x n , 当x 1x 2…x n =1

12-x

例9 求函数f (x ) =的最大值.

导析:由柯西不等式, 得 (

x -6+

2

2

x -6+

时, 必有f (x 1) f (x 2) …f (x n ) ≥1.

参考答案或提示

11最大值为1.

2

2

-x ) 2

x -6) +(

≤[1+1][(=12,

-x ) ]

21不会. 这是因为|M N |31左2≤3(641令x =

z =

a

-2

min

=2a.

即 x -6+故当

x -6=

12-x ≤2.

12-x , 即x =9时, 函

) , 6. 1+ab 1+ab 4

b

-2

+c -2, y =

c

-2

+a -2,

数f (x ) 取得最大值2.

三、强化训练

11已知|x |≤1, |y |≤1, 试求x +y

-x 2的最大值. 21已知椭圆

2

+b -2, S =6a -2, 则S . r , 6d i 6

6x

≤36x 2=

-y 2

516

d i

=

d i

≥16.

b +c 2

(a +1) 2

+

2

61由b +c >a 等知, 6

=1(a >

=3. a

(a -1) 2

1) 的切线交x 轴、y 轴的正半轴于M 、N 两

Δ=4n (n +1) (b -71

存在; Δ=0, x 0=. n +1

n +1

n +1

) . Δ

n +1

点, 试问:|M N |会小于2a 吗? 说明理由.

31已知a , b , c ∈R , 且a +b +c ≤abc ,

+

; Δ>0,

求证.

+ca 2

41若正数a 、b 、c 满足abc =1, 求证b +c

2

2

+

1+ab ++bc 81f (x 1) f (x 2) =(ax 12+bx 1+c ) (ax 22+bx 2+c ) ≥[a (=f 2(x 1x 2) .

x 1x 2)

2

a

3

+

b

3

c +a

22

+

c

3

+b x 1x 2+c ]

2

a +b

22

中学数学教学参考   2001年第9期53

  ○数学竞赛初级讲座柯西不等式

陕西省永寿县中学 安振平

  柯西不等式是一个十分重要的不等式定理, 从近年来国内外各级竞赛中不难看出, 许多涉及不等式的赛题, 若能运用柯西不等式进行求解, 便可获得较为简明的解法.

一、基础知识

1a a a +…+1b 22

2

2

() 2,

b n

a i =b i (λ为常数, i =1, 2, …, n ) 时取等号.

例1 设a 、b 、c 、d 是4个不全为零的实数, 求证

. 2222a +b +c +d

导析:为了使用柯西不等式(必要时还可

2

、a 2a n , b 1、b 2、…、b n 均是实数, 则

(a 1b 1+a 2b 2+…+a n b n ) 2

≤(a 12+a 22+…+a n 2) (b 12+b 22+…+b n 2) , 等号当且仅当a i =λb i (λ为常数, i =1, 2, …,

n ) 时成立.

以应用均值不等式) , 可从欲证不等式左边的分子入手, 并将其进行适当的变形.

ab +2bc +cd

这个命题的证明在一般的竞赛教程中都可以查找到, 这里从略.

21柯西不等式的推论

=(ab +cd ) +(bc -ad ) +(bc +ad )

≤2[(ab +cd ) 2+(bc -ad ) 2]   +

(b 2+a 2) (c 2+d 2)

推论1 设a 1、a 2、…、a n , b 1、b 2、…、b n 为实数, 则有

a 1+a 2+…+a n +

2

2

2

=(a 2+c 2) (b 2+d 2)

b 1+b 2+…+b n

222

   +

(a 2+b 2) (c 2+d 2) 2222≥(a 1+b 1) 2+(a 2+b 2) 2+…+(a n +b n ) 2, 当且仅当a i =λb i (λ为常数, i =1, 2, …, n ) 时等号成立.

推论2 设a

1、a 2、…、a n , b 1、b 2、…、b n 为实数, 则有|

a 1+a 2+…+a n -2

2

2

2

2222   +

2

=

2

(a +b 2+c 2+d 2) . 2

a +2b +c

例2 已知a , b , c ∈R +, 求证

b 1+b 2+…+b n |

2

2

2

+

≤(a 1-b 1) 2+(a 2-b 2) 2+…+(a n -b n ) 2, 当且仅当a i =λb i (λ为常数, i =1, 2, …, n ) 时等号成立.

推论3 设a 1、a 2、…、a n 为实数, b 1、b 2、…、b n 为正实数, 则有

+.

a +b +2c 2a +b +c 4

导析:从欲证不等式的结构看, 可考虑应

用推论3. 为此, 可给左边三项的分子、分母分别乘以a 、b 、c.

左边=

2

+2

a +2ab +ca

22

ab +b +2bc

54

+

2ca +bc +c 2

2

中学数学教学参考   2001年第9期

满足下列方程

2x +3y +z =13,

2

22

(a +b +c 2) +3(ab +bc +ca )

4x 2+9y 2+z 2-2x +15y +3z =82.

2

=

3(a +b +c ) 2+3(ab +bc +ca ) 2

3(a +b +c ) 2+(a +b +c ) 2=. 4

导析:将两方程左右两边分别相加, 变形得 (2x ) 2+(3y +3) 2+(z +2) 2=108. 由第1个方程变形, 得

2x +(3y +3) +(z +2) =18.

于是由柯西不等式, 得

(2x ) +1・() 2) ]2182・

222

1]・[(2x ) y +) +(z

说明:本例的类似是

++2a +b +c a +2b +c a +b +2c 4

218二、综合应用

, 、确定参数的取值范围, 求最值以及几何不等式的证明等方面都有着广泛的应用.

例3 设a 、b 、c 、d 、m 、n 都是正实数, P

=ab +cd , Q =m a +nc +, 试

m n

确定P 与Q 的大小. (1983年高中联赛题)

2x =3y +3=z +2=6,

故原方程的解为x =3, y =1, z =4. 例6 设λ是实数, 对任意实数x 、y 、z 恒λ(x 4+y 4+z 4) 成立, 试求有(x 2+y 2+z 2) 2≤λ的取值范围.

导析:由柯西不等式易求出参数λ的取值

) . 范围是[3, +∞

说明:本题由1990年全国高中联赛题改编.

例7 已知正数x 、y 、z 满足x +y +z =

xyz , 且不等式

导析:由柯西不等式, 得

P =

am +

m

nc n +=Q. m n

≤am +nc +例4 解方程4x +3+2

λ恒成++≤

x +y y +z z +x

立, 求λ的取值范围.

导析:由2元均值不等式和柯西不等式, 得

++x +y y +z z +x

2

) 2

-2x =.

导析:原方程变形为15=(x +

+2-2x ) 22

x +

≤[() 2+22][(+(

1-2x ) ]=15,

2

2=

xy

+

2

yz

+

2

z x

12x +y +z

+1+y +z x +y +z

x +

其中等号成立的充要条件是, 解得x =-.

23

=

 +1[(12+12+12) 2

2() ]= ・++. x +y +z x +y

+z x +y +z 2

例5 求三个实数x 、y 、z , 使得它们同时

中学数学教学参考   2001年第9期55

.

2

51在四面体AB CD 中, 各顶点到对面的

故参数λ的取值范围是[

) . , +∞

2

2

例8 求实数x 、y 的值, 使得(y -1) +

(x +y -3) 2+(2x +y -6) 2达到最小值. (2001年全国初中联赛题)

距离分别为d 1、d 2、d 3、d 4, 四面体内切球半径为r , 求证:d 1+d 2+d 3+d 4≥16r.

61设a 、b 、c 为△AB C 的三边长, 求证:

导析:由柯西不等式, 得

[1+2+1]・[(y -1) (2x +y -6) ]2=1, +1・

2

2

2

2

+(3-x -y ) 2

(y -1) +2・(3-x -y ) +(2x +y -6) 2]≥[1・

222

(a +b +c ) +

7n , b 0、x 1、

2x n , 6x i =a , 6x i 2=b , 试

i =0

i =0

n

n

即 (y -1) 2+(x +y -3) 2+(2x +y -6) 2. 当且仅当=, 611

0.

81已知二次三项式f (x ) =ax 2+bx +c

即x =

x , y =.

26

的所有系数均是正数, 且a +b +c =1, 求证:对于任何正数x 1、x 2、…、x n , 当x 1x 2…x n =1

12-x

例9 求函数f (x ) =的最大值.

导析:由柯西不等式, 得 (

x -6+

2

2

x -6+

时, 必有f (x 1) f (x 2) …f (x n ) ≥1.

参考答案或提示

11最大值为1.

2

2

-x ) 2

x -6) +(

≤[1+1][(=12,

-x ) ]

21不会. 这是因为|M N |31左2≤3(641令x =

z =

a

-2

min

=2a.

即 x -6+故当

x -6=

12-x ≤2.

12-x , 即x =9时, 函

) , 6. 1+ab 1+ab 4

b

-2

+c -2, y =

c

-2

+a -2,

数f (x ) 取得最大值2.

三、强化训练

11已知|x |≤1, |y |≤1, 试求x +y

-x 2的最大值. 21已知椭圆

2

+b -2, S =6a -2, 则S . r , 6d i 6

6x

≤36x 2=

-y 2

516

d i

=

d i

≥16.

b +c 2

(a +1) 2

+

2

61由b +c >a 等知, 6

=1(a >

=3. a

(a -1) 2

1) 的切线交x 轴、y 轴的正半轴于M 、N 两

Δ=4n (n +1) (b -71

存在; Δ=0, x 0=. n +1

n +1

n +1

) . Δ

n +1

点, 试问:|M N |会小于2a 吗? 说明理由.

31已知a , b , c ∈R , 且a +b +c ≤abc ,

+

; Δ>0,

求证.

+ca 2

41若正数a 、b 、c 满足abc =1, 求证b +c

2

2

+

1+ab ++bc 81f (x 1) f (x 2) =(ax 12+bx 1+c ) (ax 22+bx 2+c ) ≥[a (=f 2(x 1x 2) .

x 1x 2)

2

a

3

+

b

3

c +a

22

+

c

3

+b x 1x 2+c ]

2

a +b

22


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