平方非负
从平方的非负性出发
先取任意两个实数 $u,v$。它们的差仍是实数,而一个实数的平方不会小于 $0$,所以
把左边按完全平方公式展开,三个项分别是 $u^2$、$-2uv$ 和 $v^2$,得到
在两边同时加上 $2uv$,不等式方向不变。左边的 $-2uv$ 被消去,于是
因此,这个不等式来自 $(u-v)^2\geqslant0$。它什么时候取等号,也要回到这个平方来看。
$u^2+v^2=2uv$ 当且仅当 $(u-v)^2=0$;而平方为 $0$ 当且仅当被平方的数为 $0$。所以,等号成立当且仅当 $u=v$。
两个平均数
换成两个正数的平均数
上面的不等式比较平方和与乘积。现在设 $a>0,b>0$,把这两个正数写成平方,就能把它改写成平均数之间的关系。
因为 $a,b$ 都是正数,它们的平方根有意义,可以令
把它们代入 $u^2+v^2\geqslant2uv$。利用 $(\sqrt a)^2=a$、$(\sqrt b)^2=b$ 以及正数平方根的乘法,得到
两边同时除以正数 $2$,不等式方向不变,于是得到基本不等式:
适用条件:$a>0,b>0$。
$\dfrac{a+b}{2}$ 是 $a,b$ 的算术平均数,$\sqrt{ab}$ 是它们的几何平均数。
基本不等式说明:两个正数的算术平均数不小于它们的几何平均数。这个大小关系由平方非负推导而来。
等号条件
等号条件必须沿推导追踪
写出不等式以后,还要把原来的等号条件一起带过来。原不等式取等号当且仅当 $u=v$,代入后就是
在当前正数范围内,两个平方根相等当且仅当两个数相等,所以等号条件继续转化为
因此,基本不等式中的等号成立当且仅当 $a=b$。这个条件从“平方取零”一路传递而来,与不等式本身出自同一个理由。
两边的差
把两个平均数的差写成平方
还可以直接看算术平均数减去几何平均数。先把两项通分,分母统一为 $2$:
分子是一个完全平方:$a$、$b$ 分别是 $\sqrt a$、$\sqrt b$ 的平方,中间项是这两个平方根乘积的 $-2$ 倍。因此
分子是非负的平方,分母 $2$ 是正数,所以这个差不小于 $0$:
$\lvert\sqrt a-\sqrt b\rvert$ 越大,两个平均数之间的差就越大。这个差等于 $0$,仍然当且仅当 $\sqrt a=\sqrt b$,也就是 $a=b$。
适用范围
正数范围与不可越过的边界
这里把基本不等式陈述在 $a>0,b>0$ 的范围内。若延伸到 $a\geqslant0,b\geqslant0$,平方根仍有意义,上面的平方恒等式也仍然成立。
但不能因此继续放宽到任意实数。只知道乘积 $ab\geqslant0$,只能保证 $\sqrt{ab}$ 有意义,不足以保证当前不等式成立。
例如取 $a=-1,b=-4$。虽然 $ab=4$,但算术平均数是 $-\dfrac52$,而 $\sqrt{ab}=2$,于是
这里反而是算术平均数更小。所以,不能因为乘积的平方根有意义,就把两个负数代入当前公式。
回到约定的正数范围,推导和等号条件可以用这个差来一起理解:
右边的平方保证了差非负;平方取零又要求 $a=b$。因此,同一个平方同时解释了不等式的方向与等号条件。
两个正数的算术平均数不小于几何平均数,等号成立当且仅当两个数相等。