平均数不等式,或称平均值不等式、均值不等式,是数学上的一组不等式,也是基本不等式的推广。它是说:
即
其中:
当且仅当 ,等号成立。
即对这些正实数:调和平均数 ≤ 几何平均数 ≤ 算术平均数 ≤ 平方平均数(方均根)
简记为:“调几算方”
关于均值不等式的证明方法有很多,数学归纳法(第一数学归纳法或反向归纳法)、拉格朗日乘数法、琴生不等式法、排序不等式法、柯西不等式法等等,都可以证明均值不等式,在这里简要介绍数学归纳法证明n维形式的均值不等式的方法:
用数学归纳法证明,需要一个辅助结论。
引理:设 , ,则 ,且仅当 时取等号。
引理的正确性较明显,条件 , 可以弱化为 , ,可以用数学归纳法证明。
原题等价于: ,当且仅当 时取等号。
当 时易证;
假设当 时命题成立,即 ,当且仅当 时取等号。
那么当 时,不妨设 是 、 中最大者,则
设 ,
,根据引理
,当且仅当 且 时,即 时取等号。
此外,人教版高中数学教科书《选修4-5 不等式选讲》也介绍了一个运用数学归纳法的证明方法[1]。
先运用数学归纳法证明一个引理:若 ( 是正整数)个正数 的乘积 ,则它们的和 ,当且仅当 时等号成立。
此引理证明如下:
当 时命题为:若 ,则 ,当且仅当 时等号成立。命题显然成立。
假设当 时命题成立,则现在证明当 时命题也成立。
若这 个数全部是1,即 ,则命题显然成立。
若这 个数不全是1,则易证明必存在 使 。不妨设 。由归纳假设,因为 ,所以 ,记此式为①式。由 ,知 ,则 ,整理得 ,记此式为②式。①+②得 ,整理得 (此时等号不成立),命题成立。
综上,由数学归纳法,引理成立。
现在为了证明平均值不等式,考虑 个正数 ,它们的积为1,由引理,它们的和 ,当且仅当 即 时等号成立。
整理即得: ,当且仅当 时等号成立。于是 得证。
利用 ,易证 。考虑 个正数 ,有 ,当且仅当 即 时等号成立。两边取倒数整理得 ,当且仅当 时等号成立,即 。
等价于 。事实上, 等于 的方差,通过这个转化可以证出 ,证明如下。
,
当且仅当 时等号成立。
利用琴生不等式法也可以很简单地证明均值不等式,同时还有柯西归纳法等方法。