ALG 不等式另证

几何解释

ALG 不等式指的是,当 a,b∈Ra,b\in \mathbb R 且 0<a<b0<a<b 时有如下不等式成立:

ab<b−aln⁡b−ln⁡a<a+b2\sqrt{ab}<\frac{b-a}{\ln b-\ln a}<\frac{a+b}{2}

即几何平均值小于对数平均值,对数平均值小于算数平均值。

我们先证明右半侧,这与 ln⁡b−ln⁡a>(b−a)⋅2a+b\ln b-\ln a>(b-a)\cdot \frac{2}{a+b} 等价。

建立平面直角坐标系 xOyxOy,设 A=(a,0),A′=(a,1a),B=(b,0),B′=(b,1b),M=(a+b2,0),M′=(a+b2,2a+b)A=(a,0),A'=(a,\frac{1}{a}),B=(b,0),B'=(b,\frac{1}{b}),M=(\frac{a+b}{2},0),M'=(\frac{a+b}{2},\frac{2}{a+b})。

显然直线 AA′,BB′,MM′AA',BB',MM' 均垂直于 xx 轴,A′,B′,M′A',B',M' 均位于函数 f(x)=1xf(x)=\frac{1}{x} 图像上,过点 M′M' 作关于函数 f(x)=1xf(x)=\frac{1}{x} 图像的切线 ℓ\ell,分别交直线 AA′,BB′AA',BB' 于 C,DC,D。

显然有曲边梯形 AA′B′BAA'B'B 的面积大于梯形 ACDBACDB 的面积,即 ln⁡b−ln⁡a=∫ab1xd⁡x>(b−a)⋅2a+b\ln b-\ln a=\displaystyle \int_a^b\frac{1}{x}\operatorname d x>(b-a)\cdot \frac{2}{a+b}。

图1

然后证明左半侧:先 a=ep,b=eqa=\mathrm{e}^p,b=\mathrm{e}^q,原式变为 ep+q2<eq−epq−p\mathrm{e}^{\frac{p+q}{2}}<\dfrac{\mathrm{e}^q-\mathrm{e}^p}{q-p},等价于 eq−ep>(q−p)⋅ep+q2\mathrm{e}^q-\mathrm{e}^p>(q-p)\cdot \mathrm{e}^{\frac{p+q}{2}}

设点 P=(p,0),P′=(p,ep),Q=(q,0),Q′=(q,eq),M=(p+q2,0),M′=(p+q2,ep+q2)P=(p,0),P'=(p,\mathrm e^p),Q=(q,0),Q'=(q,\mathrm{e}^q),M=(\frac{p+q}{2},0),M'=(\frac{p+q}{2},\mathrm{e}^{\frac{p+q}{2}})。

显然直线 PP′,QQ′,MM′PP',QQ',MM' 均垂直于 xx 轴,P′,Q′,M′P',Q',M' 均位于函数 f(x)=exf(x)=\mathrm{e}^x 图像上,过点 M′M' 作关于函数 f(x)=exf(x)=\mathrm{e}^x 图像的切线 ℓ\ell,分别交直线 PP′,QQ′PP',QQ' 于 A,BA,B。

显然曲边梯形 PP′Q′QPP'Q'Q 的面积大于梯形 PABQPABQ 的面积。即 eq−ep=∫pqexd⁡x>(q−p)⋅ep+q2\mathrm{e}^q-\mathrm{e}^p=\displaystyle \int_p^q\mathrm {e}^x\operatorname dx>(q-p)\cdot \mathrm{e}^{\frac{p+q}{2}}。

图2

注意这一侧的不等式证明中 AA 可能会在 xx 轴下方,把我们上面的所说的面积定义改为有向面积即可(一,二象限面积减去三,四象限面积,显然仍有不等号成立),也就是梯形面积的定义为 ∫pqg(x)d⁡x\displaystyle \int_p^q g(x)\operatorname d x,其中 g(x)g(x) 的图像是直线 ℓ\ell。

这种证法虽然简洁明快,但是没法写在考卷上,因为我们难以在短暂的篇幅内仅使用高中的知识证明曲线 y=1xy=\frac{1}{x} 和 y=exy=\mathrm{e}^x 的下方面积,而且光是设点就需要很长的篇幅。所以什么时候把一元微积分下放到高考啊?

考场写法

很喜欢一句话:

也即,我们要说明 f(x)>g(x)f(x)>g(x),其中 x>0x>0 的一个充分条件是:f(0)≥g(0)f(0)\ge g(0) 且恒有 f′(x)>g′(x)f'(x)>g'(x)。

所以我们将证明改写为如下形式:

  1. b−aln⁡b−ln⁡a<a+b2\frac{b-a}{\ln b-\ln a}<\frac{a+b}{2}

    即证 ln⁡b−ln⁡a>(b−a)⋅2a+b\ln b-\ln a>(b-a)\cdot \frac{2}{a+b},换元令 a=m−t,b=m+ta=m-t,b=m+t,其中 t∈(0,m)t\in (0,m)。

    只需证 ln⁡(m+t)−ln⁡(m−t)>2tm\ln(m+t)-\ln(m-t)>\frac{2t}{m},令 f(t)=ln⁡(m+t)−ln⁡(m−t)−2tmf(t)=\ln(m+t)-\ln(m-t)-\frac{2t}{m}。

    f′(t)=1m+t+1m−t−2m=2mm2−t2−2mm2>0f'(t)=\frac{1}{m+t}+\frac{1}{m-t}-\frac{2}{m}=\frac{2m}{m^2-t^2}-\frac{2m}{m^2}>0。故 f(t)f(t) 单调增,f(t)>f(0)=0f(t)>f(0)=0,证毕。

  2. ab<b−aln⁡b−ln⁡a\sqrt{ab}<\frac{b-a}{\ln b-\ln a}

    令 a=ep,b=eqa=\mathrm{e}^p,b=\mathrm{e}^q,即 (q−p)⋅ep+q2<eq−ep(q-p)\cdot \mathrm{e}^{\frac{p+q}{2}}<e^q-\mathrm e^p,换元令 p=m−t,q=m+tp=m-t,q=m+t,其中 t>0t>0。

    只需证 2t⋅em<em+t−em−t2t\cdot \mathrm{e}^{m}<\mathrm {e}^{m+t}-\mathrm{e}^{m-t},令 f(t)=2t⋅em−em+t+em−tf(t)=2t\cdot \mathrm{e}^{m}-\mathrm{e}^{m+t}+\mathrm{e}^{m-t}。

    f′(t)=2em−(em+t+em−t)f'(t)=2\mathrm{e}^{m}-(\mathrm{e}^{m+t}+\mathrm{e}^{m-t}),f′′(t)=−(em+t−em−t)<0f''(t)=-(\mathrm{e}^{m+t}-\mathrm{e}^{m-t})<0

    故 f′(t)<f′(0)=0⟹f(t)<f(0)=0f'(t)<f'(0)=0\Longrightarrow f(t)<f(0)=0,证毕。


ALG 不等式另证
https://heratino.github.io/2025/06/07/ALG-inquality/
作者
Nelofus
发布于
2025年6月7日
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