4个基本不等式的函数证明

#高中数学一定会将到一个重要的不等式链:
a2+b22≥a+b2≥ab≥21a+1b\sqrt{\frac{a^2+b^2}{2}}\ge\frac{a+b}{2}\ge\sqrt{ab}\ge\frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}2a2+b22a+baba1+b12
两两证明起来不难,只需要平方,凑成完全平方公式,但实际上,上面四个结构可以用一个函数表现出来:
f(x)=a1+x+b1+xax+bxf(x)=\frac{a^{1+x}+b^{1+x}}{a^x+b^x}f(x)=ax+bxa1+x+b1+x 其中a、b都是大于0的常数。
也就是上面这个函数可以一下子证明完上面的不等式链。
在此之前,我们需要考虑函数f(x)f(x)f(x)的单调性,我们直接求导试试:
f′(x)=(a1+xlna+b1+xlnb)(ax+bx)−(a1+x+b1+x)(axlna+bxlnb))(ax+bx)2f'(x)=\frac{(a^{1+x}lna+b^{1+x}lnb)(a^x+b^x)-(a^{1+x}+b^{1+x})(a^xlna+b^xlnb))}{(a^x+b^x)^2}f(x)=(ax+bx)2(a1+xlna+b1+xlnb)(ax+bx)(a1+x+b1+x)(axlna+bxlnb))
=a1+xbxlna−axb1+xlna+axb1+xlnb−a1+xbxlnb(ax+bx)2=\frac{a^{1+x}b^xlna-a^xb^{1+x}lna+a^xb^{1+x}lnb-a^{1+x}b^xlnb}{(a^x+b^x)^2}=(ax+bx)2a1+xbxlnaaxb1+xlna+axb1+xlnba1+xbxlnb
=lna⋅axbx(a−b)+lnb⋅axbx(b−a)(ax+bx)2=\frac{lna\cdot a^xb^x(a-b)+lnb\cdot a^xb^x(b-a)}{(a^x+b^x)^2}=(ax+bx)2lnaaxbx(ab)+lnbaxbx(ba)
=axbx(a−b)(lna−lnb)(ax+bx)2≥0=\frac{a^xb^x(a-b)(lna-lnb)}{(a^x+b^x)^2}\ge0=(ax+bx)2axbx(ab)(lnalnb)0
显然f(x)f(x)f(x)是一个单增函数。要是还没学导数也可以根据如下判断:
f(x)=ax+1(1+bax+1)ax(1+bax)f(x)=\frac{a^{x+1}(1+{\frac{b}{a}}^{x+1})}{a^x(1+{\frac{b}{a}}^x)}f(x)=ax(1+abx)ax+1(1+abx+1)
t=bat=\frac{b}{a}t=ab
f(x)=a(1+tx)1+tx+1=a(t+1−t1+tx)f(x)=\frac{a(1+t^x)}{1+t^{x+1}}=a(t+\frac{1-t}{1+t^x})f(x)=1+tx+1a(1+tx)=a(t+1+tx1t)
ttt大于1时,1−t≤01-t\le01t011+tx\frac{1}{1+t^x}1+tx1为减函数,因此f(x)f(x)f(x)为增函数,当t≤1t\le1t1时类似。
于是有:
f(1)≥f(0)≥f(−12≥f(−1)f(1)\ge f(0)\ge f(-\frac{1}{2} \ge f(-1) f(1)f(0)f(21f(1) 当且仅当a=ba=ba=b时取等号
证毕证毕证毕

其中
f(1)=a2+b2a+bf(1)=\frac{a^2+b^2}{a+b}f(1)=a+ba2+b2
f(0)=a+b2f(0)=\frac{a+b}{2}f(0)=2a+b
f(−12)=a+b1a+1b=abf(-\frac{1}{2})=\frac{\sqrt{a}+\sqrt{b}}{\frac{1}{\sqrt{a}}+\frac{1}{\sqrt{b}}}=\sqrt{ab}f(21)=a1+b1a+b=ab
f(−1)=21a+1bf(-1)=\frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}f(1)=a1+b12

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