古明地恋的数学科普——向前—向后数学归纳法
前言:本文适合学习过基本不等式并且掌握较为熟练的读者.
一、什么是向前—向后(Forward and Backward)数学归纳法
考虑到部分读者并不熟悉数学归纳法(因为目前的中学教材已经淡化这部分内容),所以在此给出数学归纳法的最基本形式:
当一个关于正整数n的命题满足以下条件时:
1.时命题成立;
2.时命题成立可推得
时命题成立.
可证得命题对任意正整数n成立.
上述形式也称作第一数学归纳法.事实上,数学归纳法有多种变形形式.如当替换为
时的第二数学归纳法.
此次所述的向前—向后数学归纳法也是数学归纳法的变形形式.其形式如下:
当一个命题满足如下条件时:
1.命题对无穷多个自然数成立;
2.时命题成立可推得
时命题成立.
可证得命题对任意正整数成立.
二、向前—向后数学归纳法的应用实例(不等式的证明)
1.元算术—几何平均值(AM—GM)不等式
,当且仅当
时等号成立.
证明如下:
时,即是读者在中学阶段学习过2元形式的均值不等式:
,当且仅当a=b时等号成立.
此处证明从略.
设命题对成立,则
时,
因为
所以命题对也成立.
假设命题对成立,则
时,
从而有
综上所述,原不等式得证.
2.樊畿(Fan Ky)不等式
n=1时,显然成立;n=2时,即证
也就是,而这是显然的.
设结论对成立,即
也就是
时,
要证明上述式子成立,即证
也就是
即,由于
,此式显然成立.
设结论对n=k+1成立,即
考虑,则
由于
所以
从而结论对n=k成立.
参考资料:
[1]谢惠民.数学分析习题课讲义.(上册)北京:高等教育出版社,2003.
[2]陈计.代数不等式.上海:上海科技教育出版社,2009.