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基本不等式

基本不等式在两个非负数 a,b 之间比较算术平均数与几何平均数: ab≤a+b2. 它最有用的地方不只是给出上界,还能说明什么时候取得等号。例如围一块长方形菜地,固定两边之和,哪一种长宽使面积最大?

从一个平方推出不等式

由于 a,b≥0,它们的平方根存在,并有 (a−b)2≥0⟹a+b−2ab≥0⟹ab≤a+b2. 第一步只有 a=b 才能取等号,也就是 a=b。若两数不等,不等号严格成立。这个等号条件决定了最优方案能否达到,不能只在公式后附一句“均值不等式”。

固定周长的长方形

设菜地四边都要用围栏,周长为 24 米;令相邻两边长为 x,y>0 米,则 x+y=12。面积 S=xy,由基本不等式得 xy≤x+y2=6⟹S=xy≤36 平方米. 当且仅当 x=y=6 时取等号。这个方案既满足长度条件,也确实是正方形,因而 36 平方米是能达到的最大值,而不只是一个不能实现的上界。二次函数模型还会用配方在另一组围栏长度上证明同一类结论。

周长都为二十四米,六乘六的正方形面积三十六,四乘八的长方形面积三十二
两幅图的长宽和都为十二米;面积较大的正方形恰是基本不等式的等号情形。

反过来,若规定面积 xy=36 平方米,那么 x+y≥2xy=12 米,周长 2(x+y)≥24 米;仍在 x=y=6 取等号。这里固定的是乘积,求最小和;前一题固定和,求最大乘积。先辨认哪个量固定,才知道该把不等式用在哪个方向。

条件改变后的检查

若允许 a=−1,b=−4,尽管 ab=4,左边为 2、右边为 −2.5,原不等式不成立。两个数非负是这条实数基本不等式的前提。使用时还须检查变量约束:如果菜地限定 x≤4,等号方案 x=6 不可行,不能继续宣称最大面积是 36。

试算变式:周长改为 20 米,四边都需围栏。此时 x+y=10,所以 xy≤25;边长均为 5 米可取等号。若三边用围栏、另一边靠墙,则约束变成 2x+y=20,不能仍用 x+y=10,应重新建模。

参考资料