David 的小窝

LinMath | 优雅证明二元调和平均数不大于算术平均数

2024-08-10 · 2 min read

如何优雅地证明二元调和平均数不大于算术平均数

证明命题

∀a,b∈R+,21a+1b≤a+b2\forall a,b\in \mathbb R^+,\frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}\le\frac{a+b}{2}

证明

构造函数

f(x)=1x      (x∈R+)f(x)=\frac{1}{x}\;\;\;(x\in \mathbb R^+)

在其上图像任取两点 A(a,1a)A(a,\frac{1}{a}),B(b,1b)B(b, \frac{1}{b}),不妨设 a≤ba\le b,如图

1

连接 A,BA,B 并取中点 P(a+b2,1a+1b2)P(\frac{a+b}{2}, \frac{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}{2})

2

过 PP 作xx轴平行线交 f(x)f(x) 图像于点 Q(21a+1b,1a+1b2)Q(\frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}},\frac{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}{2})

3

观察可知,f(x)f(x) 为凸函数

严谨来说,求 f(x)f(x) 的二阶导数

d2dx2f(x)=2x3>0\frac{d^2}{dx^2}f(x)=\frac{2}{x^3}>0

因此显然 xQ≤xPx_Q \le x_P(其中当 A,BA,B 重合时即 a=ba=b,P,QP, Q 重合,xQ=xPx_Q=x_P)

即

21a+1b≤a+b2,其中 a,b∈R+\frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}\le\frac{a+b}{2},其中\ a,b\in \mathbb R^+

Q.E.D\text{Q.E.D}