排序不等式及其应用

2005年第24期             数学通讯39

排序不等式及其应用

朱桂丰          徐胜林

(义乌市稠州中学,浙江 322000)   (,湖北 430079)

  排序原理 设a1≤a2≤…≤an,b1b2≤…≤bn,又设i1,i2,,in1,,…,的,bn2bn-+anb ≤1i1a2bi2…+anbin ≤a1b1+a2b2+…+anbn.即“逆序和”≤“乱序和”≤“顺序和”.当且仅当a1=a2=…=an或b1=b2=…=bn时等号成立.

这个不等式就是通常所说的排序不等式,它是一个很重要的不等式,在数学竞赛中应用广泛,利用它可以证明很多不等式,其关键是找出两组有序数组。

例1 设a1,a2,…,an是n个正数,证明:

n≥1・a2・…・an,

n

n+t2…+tntt2tn

tn

即 n≤

G=

 ≤t1+t2+…+tn,

t1tn-1

++…+GG,

G

从而G≤

,当且仅当a1=

n

a2=…=an时等号成立.

例2 (第20届IMO试题)已知a1,a2,…,an是n个两两互不相等的正整数,求证:

a1+2+2+…+2≥1+++…+.

23n23n

分析 注意到所以a1+

222≥…2,123n

2可以看作一个乱n

当且仅当a1=a2=…=an时等号成立.

证法1记G=

n

1・a2・…・an,令bi

2

2

+

3

2

+…+

(i=1,2,…,n),则原不等式Ζb1+b2+=G

…+bn≥n,其中b1・b2・…・bn=1.

取x1,x2,…,xn,使b1=…,bn-1=证

b1+b2+…+bn=

++…+≥n.x2x3xn

,b2=,x2x3

,则bn=,由排序不等式易xnx1

序和,将a1,a2,…,an排序后就可以利用排序

原理.

证明 因为a1,a2,…an是n个两两互不相等的正整数,可将它们从小到大排列,不妨设为b1

a1+

2

2

+

2

3

2

+…+

2

2n

当且仅当x1=x2=…=xn时等号成立.所以所证不等式成立,当且仅当a1=a2=…=an时等号成立.

(i=1,2,…,证法2 令ti=i

G

n),则tn=1.从而正数序列t1,t2,…,tn及

2

23n ≥1+2+2+…+2

23n

 ≥b1+

+

+…+

++…+.23n

思考题1 (第17届IMO试题)设xi,yi是实数(i=1,2,…,n),且x1≥x2≥…≥

 =1+

t1

,

t2

,…,

tn

对应两项大小次序正好相反,

xn,y1≥y2≥…≥yn,又z1,z2,…,zn是y1,

n

由排序原理得

y2,…,yn的任一排列.证明:

i=1

∑(x

i

-yi)

2

40

n

数学通讯             2005年第24期

i=1

(xi-zi)2.

两式相加得

)

2(++b+cc+aa+b≥++.

b+cc+aa+b

2

2

2

2

2

2

2

2

2

例3 (第三届美国数学奥林匹克)设

a,b,c均为正数,证明:

a・b・c≥(abc)

a

b

c

3

.

分析 不等式的左右两端均为指数形

式,可以在两边取对数后再利用排序原理证明.

证明 不妨设a≥bc则lnalnb≥ln,alnb=aln+b+clnc,alnb+lnc≥alna+blnc+clnb,alna+blnb+clnc≥alnb+blna+clnc,alna+blnb+clnc≥alnb+blnc+clna,alna+blnb+clnc≥alnc+blna+clnb,alna+blnb+clnc≥alnc+blnb+clna,将以上各式相加,得

(

alna+blnb+clnclnb+lnc+lna),

2(b2c2)≥(bc)2≥+c

22

222

)caa+b(a+.2

222)(∴2++≥(b+c)b+cc+aa+b2

((+c+a)+a+b)=a+b+c,22

从而

++≥(a+b+c).b+cc+aa+b2

2

2

2

思考题4 设a,b,c均为正数,求证:

a+b+c≤.

abc

4

4

4

3

变形即得

a・b・c≥(abc)

a

b

c

3

.

思考题2 设a,b,c均为正数,证明:a2a

・b2b・c2c≥ab+c・bc+a・ca+b.

思考题3 (切比雪夫不等式)已知实数ai,bi满足a1≤a2≤…≤an,b1≤b2≤…≤bn(i=1,2,…,n),则  

n

ni=1

思考题5 设a,b,c为某一三角形三边长,求证:

222

a(b+c-a)+b(c+a-b)+c(a+b

-c)≤3abc.

例5 (1989年全国高中数学联赛)已知xi∈R(i=1,2,…,n;n≥2)满足

n

n

aibi≥

n

n

i=1n

i

ai

n

n+1-i

n

i=1

bi

i=1

∑|

xi|=1,

n

i=1

∑x

i

=0.求证:

ni=1

当且仅当a1=a2=…=an或b1=b2=…=bn时等号成立.

例4 (1998年江苏省数学夏令营试题)设a,b,c均为正数,求证:

++≥(a+b+c).b+cc+aa+b2

分析 可以利用对称性构造两组数,然后使用排序不等式.

证明 不妨设a≤b≤c,则a2≤b2≤c,

22

2

2

2

∑ab

.

|≤-.i22ni=1

解 设i1,i2,…,is,j1,j2,…,jt是1,2,…,n是一个排列,且使得

|

xi1≥xi2≥…≥xis≥0>xj1≥xj2

≥…≥xjt.

又设a=xi1+xi2+…+xis,b=-(xj1

+xj2+…+xjt),根据已知条件,有a-b=

0,a+b=1,所以a=b=

n

.2

n

不妨设

b+c

2

c+a

2

a+b

i=1

n

≥0,(否则,若

i

,由排序不等式得

2

2

取yi=-xi,i=1,2,…,n,此时y1,y2,…,

n

++++,b+cc+aa+bb+cc+aa+b++≥++.b+cc+ab+cb+cc+aa+b

2

2

2

2

2

2

2

yn仍满足

n

i=1

∑|

ni=1

yi|=1,

i=1

∑y

=0,且

|

i=1

|=i

>0.)由排序不等式,有i

2005年第24期             数学通讯41

・x2+…+・xn≤1・xi12n

+・xi2+…+xis+・xj1+・2ss+1s+2

()

1・x1+

xj2+…+

n

・xjt≤xi1+xi2+…+xis+

T=mp1+(m-1)p2+…+pm+(10

-m)q1+(9-m)q2+…+q10-m.

其中{p1,p2,…,pm,q1,q2,…,q10-m}={t1,t2,…,t10},t1

首先我们来证明m=5.,我们让

(xj1+xj2+…+xjt)=-.n22n

n

从而|

i1

|≤-i)第iti分钟,且这些ti(i=1,2,…,10)各不相等,试问:

1)只有一只水龙头供水时,应如何安排这十个人打水的次序,使他们的总的花费时间最少?这个最少时间是多少?

2)若有两个相同的水龙头供水时,应如何安排这十个人的次序,使他们的总的花费时间最少?这个最少时间是多少?

解 1)设按某次序打水时水龙头灌满第i个人的水桶需要si分钟,则第一人花费的时间为s1分钟,第二人花费的时间为(s1+s2)分钟,……,第十人花费的时间为(s1+s2+…+s10)分钟.总的花费时间为

s1+(s1+s2)+…+(s1+s2+…+s10)=10s1+9s2+…+2s9+s10.

其中,序列s1,s2,…,s10是t1,t2,…,t10

的一个排列.由题设,这些ti各不相同,不妨设t1

  10s1+9s2+…+2s9+s10

   ≥10t1+9t2+…+2t9+t10.

即按任意一个次序打水花费的总时间不小于按如下顺序打水的时间:先按打水所需时间从小到大依次排队,然后逐个打水,此时花费时间最省,总的花费时间为(10t1+9t2+…+2t9+t10)分钟.

2)如果有两个水龙头,设总时间最少时有m个人在第一个水龙头打水,设依次所用时间为p1,p2,…,pm;有10-m个人在第二个水龙头打水,依次所需时间设为q1,q2,…,q10-m.

显然必有一个水龙头的打水人数不少于5人,不妨设为第一个水龙头,也不可能有一个水龙头没人去打水,则5≤m

由1)知:p1

,(m-1)p211-m)p1

+-10-m.

T-T′=(2m-11)p1>0,即当m>5时,我们让第一水龙头的第一人到第二水龙头去后,总时间减少.故在m=5时,总时间可能取得最小值.

由于m=5,故两个水龙头人一样多.总用时为:

T=(5p1+4p2+3p3+2p4+p5)+(5q1

+4q2+3q3+2q4+q5).

由于p10.即经交换后总时间变少.因此q1

类似地我们可以证明:pi

水龙头一:t1,t3,t5,t7,t9;水龙头二:t2,t4,t6,t8,t10.其中:t1

思考题答案与提示

n

n

i

i

1.提示:即证

i=1

∑xy

i=1

∑xz

i

i

,用排序不等式

即得. 2.略. 3.略.

4.提示:不妨设a≥b≥c>0,则有a2≥b2≥c2,ab≥ac≥bc,由排序不等式得

a2bc+ab2c+abc2≤a3c+b3a+c3b.

又a3≥b3≥c3且a≥b≥c,再由排列不等式得a3c+b3a+c3b≤a4+b4+c4.

从而a2bc+ab2c+abc2≤a4+b4+c4,两边同除以abc即得所证不等式.

5.不妨设a≥b≥c,易证a(b+c-a)≤b(c+a-b)≤c(a+b-c).由排序原理得

a2(b+c-a)+b2(c+a-b)+c2(a+b-c)≤a・b(c+a-b)+b・c(a+b-c)+c・a(b+c-a)=3abc.

(收稿日期:2005-11-02)

2005年第24期             数学通讯39

排序不等式及其应用

朱桂丰          徐胜林

(义乌市稠州中学,浙江 322000)   (,湖北 430079)

  排序原理 设a1≤a2≤…≤an,b1b2≤…≤bn,又设i1,i2,,in1,,…,的,bn2bn-+anb ≤1i1a2bi2…+anbin ≤a1b1+a2b2+…+anbn.即“逆序和”≤“乱序和”≤“顺序和”.当且仅当a1=a2=…=an或b1=b2=…=bn时等号成立.

这个不等式就是通常所说的排序不等式,它是一个很重要的不等式,在数学竞赛中应用广泛,利用它可以证明很多不等式,其关键是找出两组有序数组。

例1 设a1,a2,…,an是n个正数,证明:

n≥1・a2・…・an,

n

n+t2…+tntt2tn

tn

即 n≤

G=

 ≤t1+t2+…+tn,

t1tn-1

++…+GG,

G

从而G≤

,当且仅当a1=

n

a2=…=an时等号成立.

例2 (第20届IMO试题)已知a1,a2,…,an是n个两两互不相等的正整数,求证:

a1+2+2+…+2≥1+++…+.

23n23n

分析 注意到所以a1+

222≥…2,123n

2可以看作一个乱n

当且仅当a1=a2=…=an时等号成立.

证法1记G=

n

1・a2・…・an,令bi

2

2

+

3

2

+…+

(i=1,2,…,n),则原不等式Ζb1+b2+=G

…+bn≥n,其中b1・b2・…・bn=1.

取x1,x2,…,xn,使b1=…,bn-1=证

b1+b2+…+bn=

++…+≥n.x2x3xn

,b2=,x2x3

,则bn=,由排序不等式易xnx1

序和,将a1,a2,…,an排序后就可以利用排序

原理.

证明 因为a1,a2,…an是n个两两互不相等的正整数,可将它们从小到大排列,不妨设为b1

a1+

2

2

+

2

3

2

+…+

2

2n

当且仅当x1=x2=…=xn时等号成立.所以所证不等式成立,当且仅当a1=a2=…=an时等号成立.

(i=1,2,…,证法2 令ti=i

G

n),则tn=1.从而正数序列t1,t2,…,tn及

2

23n ≥1+2+2+…+2

23n

 ≥b1+

+

+…+

++…+.23n

思考题1 (第17届IMO试题)设xi,yi是实数(i=1,2,…,n),且x1≥x2≥…≥

 =1+

t1

,

t2

,…,

tn

对应两项大小次序正好相反,

xn,y1≥y2≥…≥yn,又z1,z2,…,zn是y1,

n

由排序原理得

y2,…,yn的任一排列.证明:

i=1

∑(x

i

-yi)

2

40

n

数学通讯             2005年第24期

i=1

(xi-zi)2.

两式相加得

)

2(++b+cc+aa+b≥++.

b+cc+aa+b

2

2

2

2

2

2

2

2

2

例3 (第三届美国数学奥林匹克)设

a,b,c均为正数,证明:

a・b・c≥(abc)

a

b

c

3

.

分析 不等式的左右两端均为指数形

式,可以在两边取对数后再利用排序原理证明.

证明 不妨设a≥bc则lnalnb≥ln,alnb=aln+b+clnc,alnb+lnc≥alna+blnc+clnb,alna+blnb+clnc≥alnb+blna+clnc,alna+blnb+clnc≥alnb+blnc+clna,alna+blnb+clnc≥alnc+blna+clnb,alna+blnb+clnc≥alnc+blnb+clna,将以上各式相加,得

(

alna+blnb+clnclnb+lnc+lna),

2(b2c2)≥(bc)2≥+c

22

222

)caa+b(a+.2

222)(∴2++≥(b+c)b+cc+aa+b2

((+c+a)+a+b)=a+b+c,22

从而

++≥(a+b+c).b+cc+aa+b2

2

2

2

思考题4 设a,b,c均为正数,求证:

a+b+c≤.

abc

4

4

4

3

变形即得

a・b・c≥(abc)

a

b

c

3

.

思考题2 设a,b,c均为正数,证明:a2a

・b2b・c2c≥ab+c・bc+a・ca+b.

思考题3 (切比雪夫不等式)已知实数ai,bi满足a1≤a2≤…≤an,b1≤b2≤…≤bn(i=1,2,…,n),则  

n

ni=1

思考题5 设a,b,c为某一三角形三边长,求证:

222

a(b+c-a)+b(c+a-b)+c(a+b

-c)≤3abc.

例5 (1989年全国高中数学联赛)已知xi∈R(i=1,2,…,n;n≥2)满足

n

n

aibi≥

n

n

i=1n

i

ai

n

n+1-i

n

i=1

bi

i=1

∑|

xi|=1,

n

i=1

∑x

i

=0.求证:

ni=1

当且仅当a1=a2=…=an或b1=b2=…=bn时等号成立.

例4 (1998年江苏省数学夏令营试题)设a,b,c均为正数,求证:

++≥(a+b+c).b+cc+aa+b2

分析 可以利用对称性构造两组数,然后使用排序不等式.

证明 不妨设a≤b≤c,则a2≤b2≤c,

22

2

2

2

∑ab

.

|≤-.i22ni=1

解 设i1,i2,…,is,j1,j2,…,jt是1,2,…,n是一个排列,且使得

|

xi1≥xi2≥…≥xis≥0>xj1≥xj2

≥…≥xjt.

又设a=xi1+xi2+…+xis,b=-(xj1

+xj2+…+xjt),根据已知条件,有a-b=

0,a+b=1,所以a=b=

n

.2

n

不妨设

b+c

2

c+a

2

a+b

i=1

n

≥0,(否则,若

i

,由排序不等式得

2

2

取yi=-xi,i=1,2,…,n,此时y1,y2,…,

n

++++,b+cc+aa+bb+cc+aa+b++≥++.b+cc+ab+cb+cc+aa+b

2

2

2

2

2

2

2

yn仍满足

n

i=1

∑|

ni=1

yi|=1,

i=1

∑y

=0,且

|

i=1

|=i

>0.)由排序不等式,有i

2005年第24期             数学通讯41

・x2+…+・xn≤1・xi12n

+・xi2+…+xis+・xj1+・2ss+1s+2

()

1・x1+

xj2+…+

n

・xjt≤xi1+xi2+…+xis+

T=mp1+(m-1)p2+…+pm+(10

-m)q1+(9-m)q2+…+q10-m.

其中{p1,p2,…,pm,q1,q2,…,q10-m}={t1,t2,…,t10},t1

首先我们来证明m=5.,我们让

(xj1+xj2+…+xjt)=-.n22n

n

从而|

i1

|≤-i)第iti分钟,且这些ti(i=1,2,…,10)各不相等,试问:

1)只有一只水龙头供水时,应如何安排这十个人打水的次序,使他们的总的花费时间最少?这个最少时间是多少?

2)若有两个相同的水龙头供水时,应如何安排这十个人的次序,使他们的总的花费时间最少?这个最少时间是多少?

解 1)设按某次序打水时水龙头灌满第i个人的水桶需要si分钟,则第一人花费的时间为s1分钟,第二人花费的时间为(s1+s2)分钟,……,第十人花费的时间为(s1+s2+…+s10)分钟.总的花费时间为

s1+(s1+s2)+…+(s1+s2+…+s10)=10s1+9s2+…+2s9+s10.

其中,序列s1,s2,…,s10是t1,t2,…,t10

的一个排列.由题设,这些ti各不相同,不妨设t1

  10s1+9s2+…+2s9+s10

   ≥10t1+9t2+…+2t9+t10.

即按任意一个次序打水花费的总时间不小于按如下顺序打水的时间:先按打水所需时间从小到大依次排队,然后逐个打水,此时花费时间最省,总的花费时间为(10t1+9t2+…+2t9+t10)分钟.

2)如果有两个水龙头,设总时间最少时有m个人在第一个水龙头打水,设依次所用时间为p1,p2,…,pm;有10-m个人在第二个水龙头打水,依次所需时间设为q1,q2,…,q10-m.

显然必有一个水龙头的打水人数不少于5人,不妨设为第一个水龙头,也不可能有一个水龙头没人去打水,则5≤m

由1)知:p1

,(m-1)p211-m)p1

+-10-m.

T-T′=(2m-11)p1>0,即当m>5时,我们让第一水龙头的第一人到第二水龙头去后,总时间减少.故在m=5时,总时间可能取得最小值.

由于m=5,故两个水龙头人一样多.总用时为:

T=(5p1+4p2+3p3+2p4+p5)+(5q1

+4q2+3q3+2q4+q5).

由于p10.即经交换后总时间变少.因此q1

类似地我们可以证明:pi

水龙头一:t1,t3,t5,t7,t9;水龙头二:t2,t4,t6,t8,t10.其中:t1

思考题答案与提示

n

n

i

i

1.提示:即证

i=1

∑xy

i=1

∑xz

i

i

,用排序不等式

即得. 2.略. 3.略.

4.提示:不妨设a≥b≥c>0,则有a2≥b2≥c2,ab≥ac≥bc,由排序不等式得

a2bc+ab2c+abc2≤a3c+b3a+c3b.

又a3≥b3≥c3且a≥b≥c,再由排列不等式得a3c+b3a+c3b≤a4+b4+c4.

从而a2bc+ab2c+abc2≤a4+b4+c4,两边同除以abc即得所证不等式.

5.不妨设a≥b≥c,易证a(b+c-a)≤b(c+a-b)≤c(a+b-c).由排序原理得

a2(b+c-a)+b2(c+a-b)+c2(a+b-c)≤a・b(c+a-b)+b・c(a+b-c)+c・a(b+c-a)=3abc.

(收稿日期:2005-11-02)


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  • 考试范围: 文科: 必考内容:必修①②③④⑤+选修1-1,1-2 选考内容:无选考内容 理科: 必考内容:必修①②③④⑤+选修2-1,2-2,2-3 选考内容(三选二):选修4-2,4-4,4-5 文.理科必考内容: 数学①必修 第一章 集合与函数概念 1.1 集合 1.1.1 集合的含义与表示 1 ...

  • 人教版高中数学必修选修目录
  • 必修1 第一章 集合与函数概念 1.1 集合 阅读与思考 集合中元素的个数 1.2 函数及其表示 阅读与思考 函数概念的发展历程 1.3 函数的基本性质 信息技术应用 用计算机绘制函数图象 实习作业 小结 第二章 基本初等函数(Ⅰ) 2.1 指数函数 信息技术应用 借助信息技术探究指数函数的性质 2 ...

  • 沈阳市人教A版高中数学目录(理科)
  • 必修1 第一章 集合与函数概念 1.1 集合 1.2 函数及其表示 1.3 函数的基本性质 第二章 基本初等函数(Ⅰ) 2.1 指数函数 2.2 对数函数 2.3 幂函数 第三章 函数的应用 3.1 函数与方程 3.2 函数模型及其应用 阅读与思考 广告中数据的可靠性 阅读与思考 如何得到敏感性问题 ...