高中數學伯努利不等式的證明

2021-08-21 23:42:23 字數 1565 閱讀 8193

原來伯努利不等式還可以推廣到實數幕的形式以及一般形式;

既然看到就想辦法證明豈能這麼糊塗的就相信它的正確性,但是用普通方法根本無法證明,實

伯努利不等式是說:

當x>-1時有

① (1+x)^n ≥ 1+nx        (n≤0 或 n≥1)

② (1+x)^n ≤ 1+nx        (0 ≤ n ≤ 1)

下面是伯努利不等式的一般形式:

③(1+x1)(1+x2)......(1+xn) ≥ 1 + x1 + x2 + ...... + xn (xi ≥ 0 或 -1<xi<0 ,n∈n+)

對不等式①②的證明如下:

構建函式 y = f(n) = (1+x)^n - (1+nx);(x>-1 且 x≠0)

則f'(n) = (1+x)^n * ln(1+x) - x

再次求函式f(n)的二階導數

則f''(n) = (1+x)^n * ( ln(1+x) )^2

不難發現 當 1+x > 0時 函式f(n)的二階導數恆大於0,因此函式f(n)是凹函式;

又因為當 n=0 和 n=1時 是函式的兩個零點,我們可以勾勒出函式的大概影象是經過0,0與1,0兩點的凹函式;

因此有當 n<0時y>0              故(1+x)^n > 1+nx

當 n>1時y>0             故(1+x)^n > 1+nx

當0<n<1時y<0        故(1+x)^n < 1+nx

因此不等式①②得證,當n=0或n=1 或 x=0時等號成立

③伯努利不等式一般形式的證明:

當n=1時不等式顯然成立 1 + x=1 + x;

當n=2時 不等式為(1+x1)(1+x2)≥1 + x1 + x2

我們用作差法證明當n=2的情況 

(1+x1)(1+x2) - (1 + x1 + x2)

=1 + x1 + x2 +x1*x2 - 1 - x1 - x2

=x1*x2 ≥ 0  故當n=2時命題成立

假設當n ≥ 2時命題都成立

則當n = n+1時

(1+x1)(1+x2)......(1+xn) (1+x[n+1])      注:[n+1]為下標 

= (1+x1)(1+x2)......(1+xn) + x[n+1] *(1+x1)(1+x2)......(1+xn)

≥(1 + x1 + x2 + ...... + xn) + x[n+1] *(1+x1)(1+x2)......(1+xn)   

接下來考慮x[n+1] *(1+x1)(1+x2)......(1+xn)

當-1<xi<0時x[n+1] *(1+x1)(1+x2)......(1+xn) >x[n+1]

當xi≥0時         x[n+1] *(1+x1)(1+x2)......(1+xn)≥x[n+1]

綜上考慮有

(1+x1)(1+x2)......(1+xn) (1+x[n+1]) ≥ 1 + x1 + x2 + ...... + xn + x[n+1]   

當n=1時 或 xi中最多有乙個不為0的項等號成立

則當n=n+1時命題仍然成立 得證

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