排序不等式
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第四讲 排序不等式与琴生不等式本节主要内容有排序不等式、琴生不等式、幂平均不等式、切比雪夫不等式及应用.排序不等式(又称排序定理):给定两组实数a 1,a 2,……,a n ;b 1,b 2,……,b n .如果a 1≤a 2≤……≤a n ;b 1≤b 2≤……≤b n .那么a 1b n +a 2b n -1+……+a n b 1(反序和)≤a 11i b +a 22i b +……+a n n i b (乱序和)≤a 1b 1+a 2b 2+……+a n b n (同序和), 其中i 1,i 2,……,i n 是1,2,……,n 的一个排列.该不等式所表达的意义是和式∑=nj i j jba 1在同序和反序时分别取得最大值和最小值.切比雪夫不等式:设有两个有序数组a 1≤a 2≤……≤a n ;b 1≤b 2≤……≤b n .则1n(a 1b n+a 2b n -1+……+a n b 1)≤a 1+a 2+……+a n n ·b 1+b 2+……+b n n ≤1n(a 1b 1+a 2b 2+……+a nb n ), 其中等号仅当a 1=a 2=……=a n 或b 1=b 2=……=b n 时取得.琴生不等式又称凸函数不等式,它建立在凸函数的基础上.定义 设连续函数f (x )的定义域是[a ,b ](开区间(a ,b )或(-∞,+∞)上均可),如果对于区间[a ,b ]内的任意两点x 1,x 2有f (x 1+x 22 )≤12 [f (x 1)+f (x 2)],则称f (x )为[a ,b ]上的下凸函数.如图(1)定理一.若f (x )是下凸函数,则对其定义域中的任意几个点x 1,x 2,……,x n ,恒有f (x 1+x 2+……+x n n )≤1n[f (x 1)+f (x 2)+……+f (x n )].定义 设连续函数f (x )的定义域是[a ,b ](开区间(a ,b )或(-∞,+∞)上均可),如果对于区间[a ,b ]内的任意两点x 1,x 2有f (x 1+x 22 )≥12 [f (x 1)+f (x 2)],则称f (x )为[a ,b ]上的下凸函数.如图(2)x 1x 2M (1)P Q x 1x 2M P Q定理二:若)(x f 是上凸函数,则对其定义域中的任意n 个点n x x x ,...,,21恒有)](...)()([1)...(2121n n x f x f x f n n x x x f +++≥+++,容易验证x x x f 21log ,tan )(=分别是),0(),2,0(+∞π上的下凸函数。
第十二讲 排序不等式与切比雪夫不等式一、 知识概要 1.排序不等式定理1 设12n a a a ≤≤≤L L ,12n b b b ≤≤≤L L ,12,,n i i i L L 与12,,n j j j L L 是1,2,3n L 的任意的两个排列,则:11221122nni j o j i j n n a b a b a b a b a b a b ++≤++L L 11221211nni j o j i j n n n a b a b a b a b a b a b -++≥+++L L可以简单的理解为:反序和≤乱序和≤同序和.2.切比雪夫不等式定理2 设12n a a a ≤≤≤L L ,12n b b b ≤≤≤L L ,则:111()()n nnk kk kk k k a ba bnnn===≤∑∑∑.定理3 设12n a a a ≤≤≤L L ,12n b b b ≥≥≥L L ,则:111()()nnnkkk kk k k a ba bnnn===≥∑∑∑.3.幂平均不等式定理4 设正实数12,,,n a a a L L ,且0αβ<< ,则111212()()n n a a a a a a n nαααββββα++++++≤L L(等号成立当且仅当12n a a a ===L L ).定理5 设正实数12,,,n a a a L L ,且0αβ<< ,则111212()()n n a a a a a a n nαααββββα++++++≥L L(等号成立当且仅当12n a a a ===L L ).二、解题指导例1.设,,,a b c d 满足1ab bc cd da +++=的非负实数, 求证:333313a b c d b c d a c d b a d b a c +++≥++++++++.例2.已知,,a b c R +∈,1abc =,证明:33311132()()()a b c b a c c a b ++≥+++.例3.设123,,,(2)n x x x x n ≥L 都是正实数,且11ni i x ==∑,求证:1nni =≥.例4.设正实数12,,n a a a L 满足121n a a a +++=L ,证明:1212231222223311()()1n n a a a na a a a a a n a a a a a a ++++++≥++++L L .例5.设0(1,2,3,,)i x i n >=L ,求证:12331212312()nnx x x x x x x x nn n x x x x x x x +++⋅≥L L L .三、习题演练1.用排序不等式证明下列不等式: (1)3333a b c abc ++≥; (2)222222b c c a a b abc a b c++≥++;(3)3332222()()()()a b c a b c b a c c a b ++≥+++++.2.设,,0a b c >,1111111a b b c c a ++=++++++,求证:a b c ab bc ac ++≥++.3.设,,0a b c >,求证:888333111a b c a b c a b c ++++≤.4.设,,0x y z >,满足1x y z ++=,≥5.将1,2,3n L 这n 个正整数任意排列可以得到!n 个不同的数列,问其中是否存在4个数列: 123,,,,n a a a a L ,12,,,n b b b L 123,,,n c c c c L K ,23,,,n d d d d L K 使得 11221122332()n n n n a b a b a b c d c d c d c d +++=++++L L .6.设0(1,2,3,)k p a q k n <≤≤=L ,试求:111()()nnk i i kf a a ===∑∑的最大值与最小值.。
排序不等式说明排序不等式是高中数学竞赛大纲、新课标要求的基本不等式。
设有两组数a_1 , a_2 ,…… a_n; b_1 , b_2 ,…… b_n 满足a_1≤ a_2 ≤……≤ a_n, b_1 ≤ b_2≤……≤ b_n ,则有a_1 b_n + a_2 b_{n-1}+ ... + a_n b_1≤ a_1 b_{t_1} + a_2 b_{t_2} +……+ a_n b_{t_n}≤ a_1 b_1 + a_2 b_2 + ……+a_n b_n.式中t_1,t_2,……,t_n是1,2,……,n的任意一个排列,当且仅当a_1 = a_2 = ... = a_n 或 b_1 = b_2 = ... = b_n 时等号成立。
应用排序不等式常用于与顺序无关的一组数乘积的关系。
可以先令a_1 ≤ a_2 ≤ a_3 ≤ ... ≤ a_n,确定大小关系。
使用时常构造一组数,使其与原数构成乘积关系,以便求解。
适用于分式、乘积式尤其是轮换不等式的证明。
以上排序不等式也可简记为:反序和≤乱序和≤同序和.排序不等式的证明:逐步调整法。
当n=2时,不妨设a_1 ≤ a_2,b_1 ≤ b_2,那么a_1 b_1 + a_2 b_2 - ( a_2 b_1 + a_1 b_2)= ( a_1 - a_2 )( b_1 - b_2 )≥0.因此n=2时成立。
当n>2时,只需分别证明两个不等式即可。
不妨设a_1 ≤ a_2 ≤ ... ≤ a_n,b_1 ≤ b_2 ≤ ... ≤ b_n。
A. 乱序和≤同序和考察a_1 b_{t_1} + a_2 b_{t_2} + ... + a_n b_{t_n}。
如果t_1=1,那么考察t_2。
如果t_i=i,i=1, ..., k,那么考察t_{k +1}。
现不妨设第一个满足t_k>k的项脚标为m,即a_1 b_1 + a_2 b_2 + ... + a_m b_{t_m} + ... + a_n b_{t_n},t_m>m。
三排序不等式[学习目标] 1.了解排序不等式的数学思想和背景.2.了解排序不等式的结构与基本原理.3.理解排序不等式的简单应用.[知识链接]某班学生要开联欢会,需要买价格不同的礼品4件、5件及2件,现在选择商店中有单价为3元、2元和1元的礼品,问有多少不同的购买方案?在这些方案中哪种花钱最少?哪种花钱最多?答案有多少种不同的购买方案,实质上就是礼品和单价有多少种不同的对应关系.与单价3元对应的礼品可以是4件的礼品,也可以是5件或2件的礼品共有三种对应关系,与单价2元对应的只还有剩下的2种.与单价一元对应的只有一种.由乘法分步计数原理知共有3×2×1=6种不同的购买方案.根据生活的实际经验,花钱最少的方案应是最贵的礼品买最少的件数,最便宜的礼品买最多的件数,即1×5+2×4+3×2=19元,花钱最多的方案应是:单价最高的礼品买最多的件数,单价最低的礼品买最少的件数,即1×2+2×4+3×5=25元.[预习导引]1.顺序和、乱序和、反序和的概念设a1≤a2≤a3≤…≤a n,b1≤b2≤b3≤…≤b n为两组实数,c1,c2,…,c n是b1,b2,…,b n 的任一排列,则称a i与b i(i=1,2,…,n)的相同顺序相乘所得积的和a1b1+a2b2+…+a n b n 为顺序和,和a1c1+a2c2+…+a n c n为乱序和,相反顺序相乘所得积的和a1b n+a2b n-1+…+a n b1为反序和.2.排序不等式(排序原理)设a1≤a2≤…≤a n,b1≤b2≤…≤b n为两组实数,c1,c2,…,c n是b1,b2,…,b n的任一排列,则a1b n+a2b n-1+…+a n b1≤a1c1+a2c2+…+a n c n≤a1b1+a2b2+…+a n b n,当且仅当a1=a2=…=a n或b1=b2=…=b n时,反序和等于顺序和,此不等式简记为反序和≤乱序和≤顺序和.要点一 利用排序原理证明不等式例1 已知a ,b ,c 为正数,求证b 2c 2+c 2a 2+a 2b 2a +b +c≥abc . 证明 根据所要证明的不等式中a ,b ,c 的“地位”的对称性,不妨设a ≥b ≥c , 则1a ≤1b ≤1c,bc ≤ca ≤ab . 由排序原理:顺序和≥乱序和,得:bc a +ca b +ab c ≥bc c +ca a +ab b. 即b 2c 2+c 2a 2+a 2b 2abc≥a +b +c , 因为a ,b ,c 为正数,所以abc >0,a +b +c >0,于是b 2c 2+c 2a 2+a 2b 2a +b +c≥abc . 规律方法 (1)在排序不等式的条件中需要限定各数值的大小关系,对于没有给出大小关系的情况,要根据各字母在不等式中地位的对称性,限定一种大小关系.(2)排序不等式也可以理解为两实数序列同向单调时,所得两两乘积之和最大;反向单调(一增一减)时,所得两两乘积之和最小.跟踪演练1 已知a ,b ,c ∈R +,a +b +c =1,求证:a 2+b 2+c 2≥13. 证明 不妨设a ≤b ≤c ,则由排序不等式得a 2+b 2+c 2≥ab +bc +ac ,上式两边同乘2再加a 2+b 2+c 2,得3(a 2+b 2+c 2)≥(a +b +c )2,即a 2+b 2+c 2≥(a +b +c )23=13,命题得证. 要点二 利用排序原理证明n 项不等式例2 设a 1,a 2,…,a n 是n 个互不相同的正整数,求证:1+12+13+…+1n ≤a 1+a 222+a 332+…+a n n 2. 证明 ∵12<22<32<…<n 2,∴112>122>…>1n 2. 设c 1,c 2,…,c n 是a 1,a 2,…,a n 由小到大的一个排列,即c 1<c 2<c 3<…<c n ,根据排序原理中,反序和≤乱序和,得c 1+c 222+c 332+…+c n n 2≤a 1+a 222+a 332+…+a n n 2, 而c 1,c 2,…,c n 分别大于或等于1,2,…,n ,∴c 1+c 222+c 332+...+c n n 2≥1+222+332+...+n n 2=1+12+ (1), ∴1+12+13+…+1n ≤a 1+a 222+…+a n n 2. 规律方法 利用排序不等式证明不等式,关键是构造出不等式中所需要的带大小顺序的两个数组.跟踪演练2 设c 1,c 2,…,c n 为正数组a 1,a 2,…,a n 的某一排列,求证:a 1c 1+a 2c 2+…+a n c n≥n .证明 不妨设0<a 1≤a 2≤…≤a n ,则1a 1≥1a 2≥…≥1a n. 因为1c 1,1c 2,…,1c n 是1a 1,1a 2,…,1a n的一个排序, 故由排序原理:反序和≤乱序和得a 1·1a 1+a 2·1a 2+…+a n ·1a n≤a 1·1c 1+a 2·1c 2+…+a n ·1c n. 即a 1c 1+a 2c 2+…+a n c n≥n . 要点三 利用排序原理求最值例3 设a ,b ,c 为任意正数,求a b +c +b c +a +c a +b的最小值. 解 不妨设a ≥b ≥c ,则a +b ≥a +c ≥b +c ,1b +c ≥1c +a ≥1a +b, 由排序不等式得,a b +c +b c +a +c a +b ≥b b +c +c c +a +a a +ba b +c +b c +a +c a +b ≥c b +c +a c +a +b a +b上述两式相加得:2⎝⎛⎭⎫a b +c +b c +a +c a +b ≥3, 即a b +c +b c +a +c a +b ≥32. 当且仅当a =b =c 时,a b +c +b c +a +c a +b取最小值32. 规律方法 求最小(大)值,往往所给式子是顺(反)序和式.然后利用顺(反)序和不小(大)于乱序和的原理构造出适当一个或二个乱序和从而求出其最小(大)值.跟踪演练3 设0<a ≤b ≤c 且abc =1.试求1a 3(b +c )+1b 3(a +c )+1c 3(a +b )的最小值. 解 令S =1a 3(b +c )+1b 3(a +c )+1c 3(a +b ), 则S =(abc )2a 3(b +c )+(abc )2b 3(a +c )+(abc )2c 3(a +b )=bc a (b +c )·bc +ac b (a +c )·ac +ab c (a +b )·ab . 由已知可得:1a (b +c )≥1b (a +c )≥1c (a +b ),ab ≤ac ≤bc . ∴S ≥bc a (b +c )·ac +ac b (a +c )·ab +ab c (a +b )·bc =c a (b +c )+a b (a +c )+b c (a +b ). 又S ≥bc a (b +c )·ab +ac b (a +c )·bc +ab c (a +b )·ac =b a (b +c )+c b (a +c )+a c (a +b ), 两式相加得:2S ≥1a +1b +1c ≥3·31abc=3. ∴S ≥32,即1a 3(b +c )+1b 3(a +c )+1c 3(a +b )的最小值为32.1.设a 1≤a 2≤a 3≤…≤a n ,b 1≤b 2≤b 3≤…≤b n 为两组实数,在排序不等式中,顺序和,反序和,乱序和的大小关系为( )A .反序和≥乱序和≥顺序和B .反序和=乱序和=顺序和C .反序和≤乱序和≤顺序和D .反序和、乱序和、顺序和大小关系不确定答案 C2.已知两组数1,2,3和4,5,6,若c 1,c 2,c 3是4,5,6的一个排列,则1c 1+2c 2+3c 3的最大值是________,最小值是________.答案 32 28解析 由反序和≤乱序和≤顺序和知,顺序和最大,反序和最小,故最大值为32;最小值为28.3.已知a ,b ,c ∈R +,求证a +b +c ≤a 2+b 22c +b 2+c 22a +c 2+a 22b. 证明 由于不等式关于a 、b 、c 对称,可设a ≥b ≥c >0.由排序不等式,得a 2·1a +b 2·1b +c 2·1c (逆序和)≤a 2·1b +b 2·1c +c 2·1a(乱序和). 及a 2·1a +b 2·1b +c 2·1c≤a 2·1c +b 2·1a +c 2·1b. 以上两个同向不等式相加再除以2,即得a +b +c ≤a 2+b 22c +b 2+c 22a +c 2+a 22b.1.在没有给定字母大小的情况下,要使用排序不等式,必须限定字母的大小顺序,而只有具有对称性的字母才可以直接限定字母的大小顺序,否则要根据具体环境分类讨论.2.求证一个与排序有关的不等式.若 a ,b ,c 在不等式中的“地位”是对称的,解答时不妨设a ≥b ≥c ,再利用排序不等式加以证明.排序不等式1.有一有序数组,其顺序和为A ,反序和为B ,乱序和为C ,则它们的大小关系为( )A .A ≥B ≥CB .A ≥C ≥B C .A ≤B ≤CD .A ≤C ≤B解析:选B 由排序不等式,顺序和≥乱序和≥反序和知:A ≥C ≥B .2.若A =x 21+x 22+…+x 2n ,B =x 1x 2+x 2x 3+…+x n -1x n +x n x 1,其中x 1,x 2,…,x n 都是正数,则A 与B 的大小关系为( )A .A >B B .A <BC .A ≥BD .A ≤B解析:选C 序列{x n }的各项都是正数,不妨设0<x 1≤x 2≤…≤x n ,则x 2,x 3,…,x n ,x 1为序列{x n } 的一个排列.由排序原理,得x 1x 1+x 2x 2+…+x n x n ≥x 1x 2+x 2x 3+…+x n x 1,即x 21+x 22+…+x 2n ≥x 1x 2+x 2x 3+…+x n x 1.3.锐角三角形中,设P =a +b +c 2,Q =a cos C +b cos B +c cos A ,则P ,Q 的关系为( ) A .P ≥Q B .P =Q C .P ≤Q D .不能确定解析:选C 不妨设A ≥B ≥C ,则a ≥b ≥c ,cos A ≤cos B ≤cos C ,则由排序不等式有Q =a cos C +b cos B +c cos A≥a cos B +b cos C +c cos A=R (2sin A cos B +2sin B cos C +2sin C cos A )=R [sin(A +B )+sin(B +C )+sin(A +C )]=R (sin C +sin A +sin B )=P =a +b +c 2. 4.儿子过生日要老爸买价格不同的礼品1件、2件及3件,现在选择商店中单价为13元、20元和10元的礼品,至少要花的钱数为( )A .76B .20C .84D .96解析:选A 设a 1=1(件),a 2=2(件),a 3=3(件),b 1=10(元),b 2=13(元),b 3=20(元),则由排序原理反序和最小知至少要花a 1b 3+a 2b 2+a 3b 1=1×20+2×13+3×10=76(元).5.已知两组数1,2,3和4,5,6,若c 1,c 2,c 3是4,5,6的一个排列,则1c 1+2c 2+3c 3的最大值是________,最小值是________.解析:由反序和≤乱序和≤顺序和知,顺序和最大,反序和最小,故最大值为32,最小值为28.答案:32 286.有4人各拿一只水桶去接水,设水龙头注满每个人的水桶分别需要5 s 、4 s 、3 s 、 7 s ,每个人接完水后就离开,则他们总的等候时间最短为________s.解析:由题意知,等候的时间最短为3×4+4×3+5×2+7=41.答案:417.在Rt △ABC 中,∠C 为直角,A ,B 所对的边分别为a ,b ,则aA +bB 与π4(a +b )的大小关系为________.解析:不妨设a ≥b >0,则A ≥B >0,由排序不等式⎭⎪⎬⎪⎫aA +bB ≥aB +bA aA +bB =aA +bB ⇒2(aA +bB )≥a (A +B )+b (A +B ) =π2(a +b ), ∴aA +bB ≥π4(a +b ). 答案:aA +bB ≥π4(a +b ) 8.设a ,b ,c 都是正数,求证:a +b +c ≤a 4+b 4+c 4abc. 证明:由题意不妨设a ≥b ≥c >0.由不等式的性质,知a 2≥b 2≥c 2,ab ≥ac ≥bc .根据排序原理,得a 2bc +ab 2c +abc 2≤a 3c +b 3a +c 3b .①又由不等式的性质,知a 3≥b 3≥c 3,且a ≥b ≥c .再根据排序不等式,得a 3c +b 3a +c 3b ≤a 4+b 4+c 4.②由①②及不等式的传递性,得a 2bc +ab 2c +abc 2≤a 4+b 4+c 4.两边同除以abc 得证原不等式成立.9.设a ,b ,c 为任意正数,求a b +c +b c +a +c a +b 的最小值. 解:不妨设a ≥b ≥c ,则a +b ≥a +c ≥b +c ,1b +c ≥1c +a ≥1a +b. 由排序不等式,得 a b +c +b c +a +c a +b ≥b b +c +c c +a +a a +b, a b +c +b c +a +c a +b ≥c b +c +a c +a +b a +b, 以上两式相加,得2⎝⎛⎭⎫a b +c +b c +a +c a +b ≥3, ∴a b +c +b c +a +c a +b ≥32, 即当且仅当a =b =c 时,a b +c +b c +a +c a +b的最小值为32.10.设x ,y ,z 为正数,求证:x +y +z ≤x 2+y 22z +y 2+z 22x +z 2+x 22y. 证明:由于不等式关于x ,y ,z 对称,不妨设0<x ≤y ≤z ,于是x 2≤y 2≤z 2,1z ≤1y ≤1x ,由排序原理:反序和≤乱序和,得x 2·1x +y 2·1y +z 2·1z ≤x 2·1z +y 2·1x +z 2·1y, x 2·1x +y 2·1y +z 2·1z ≤x 2·1y +y 2·1z +z 2·1x ,将上面两式相加,得2(x +y +z )≤x 2+y 2z +y 2+z 2x +z 2+x 2y ,于是x +y +z ≤x 2+y 22z +y 2+z 22x +z 2+x 22y.。