揭秘数学奥秘:探索几个关键不等式的深远影响
如果用代数方法证明这个问题将极为繁琐,但如果转化为几何问题,那无非就是这个不等式。
再比如著名的“将军饮马”问题:在直线上找一点,使同侧的 A、B 两点到该点距离之和为最小。下面这个问题:以已知点 A、B 为焦点的椭圆与已知直线 l 相切,求这个切点。这里的难点是椭圆并没有画出,如果按照常规思考,似乎并没有头绪,但是如果考虑到光学中的“费马原理”,再结合这里提到的“将军饮马”,问题迎刃而解。
在代数上,我所知道的最重要的不等式可能是所谓的平均值不等式,即:
这个不等式的一个常见用途是求最大、最小值,比如已知正数 x 和 y 的乘积为某个定值,则我们可以求出 mx+ny 的最小值,其中 m、n 均为正值。原来还有这种操作?-->不过我当年第一次看到这样的例题时还是吃了一惊。——原来还有这种操作?当然,这个均值不等式还可以推广到任意多个正数的情况,这里就不再证明了。
下面给出最简单形式的柯西不等式:
这显然就是前面平均值不等式的一个变形。这也说明,复杂、“高级”的数学知识,是可以从比较初等的数学中发展出来的。
和均值不等式比较接近的还有一个:
这个不等式直接证明起来也有点麻烦,但是有很多方法可以用来理解之:比如设 a、c 都是路程,b、d 是对应的时间,则表示平均速度在最大速度和最小速度之间;如果设 a、c 都是溶质质量,b、d 都是溶液质量,则表示混合后的溶液浓度介于原来两部分溶液之间,类似还可以看作坡度等等。
“极限”的 ε-δ 定义也是用不等式建立的。这使“极限”一词摆脱了那种依赖于直观的模糊图像,变得可以真正被用来研究数学问题了。假如没有这个定义,我们遇到“极限”的时候只能说“越来越接近”,这对于数学证明没有丝毫作用。类似的,判断极限是否存在的柯西准则,以及夹挤定理,都需要不等式。
这个定义除了直接证明某个函数的极限外,还用来证明极限的运算法则(函数和差积商的极限等于函数极限的和差积商)以及可以证明若干函数不存在指定的极限。但有些微积分教材只给出了函数和的极限等于极限和的证明,如何证明其它几个运算法则?我强烈建议教师一定要把这个问题讲一遍,否则会造成学生的重大遗憾——我本人就是一个例子。
另外的一个证明极限的方法是用增减性,结合上(下)确界定理进行证明。而这也都需要不等式,比如要证明级数
收敛。首先可以判断这个级数随着 n 的增大单调递增,然后将其放大到
(除了首项),再证明这个新的级数小于 1 即可。不等式在微积分中的运用当然绝不仅以上几点,这只是略谈数例而已。
鲁道夫·克劳修斯(左)、海森堡(右)
最后一段聊聊物理吧。虽然我们通常接触的物理定律都是等式形式的,但热力学第二定律却是一个不等式。虽然因为涉及到概率,它给人的感觉是地位似乎不如其它定律稳固,但却是我们得以活下去的基础——从来没有人担心某一天所有的空气分子都挤到房屋一角而导致自己窒息。一位物理学家曾经说过:如果你提出的理论和其它物理定律相矛盾,那么你很可能获得荣誉,但如果是和热力学第二定律矛盾,则你获得的将只有羞辱。(大意)这句话说明了这个定律的坚实程度。物理学里另外一个和不等式有密切关系的例子是所谓“测不准关系”。巧得很,它所属的“量子力学”也和概率有着密切联系。顺便说一句,我国著名科学史专家,玻尔集的翻译者戈革先生,曾经在其著作《史情室文帚》里对玻尔的“对应原理”作过一番梳理,说这个原理在运用时也涉及到“几率”(上册,P28、P448 两处)。这是一句题外话了。
以上关于“不等式”的话题很不成系统,故谓之“杂谈”。
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用户评论
这篇文章说的太对了!很多时候我们都觉得数学公式只是冷冰冰的符号,其实背后蕴含着深刻的道理。学习不等式真的能提升逻辑思维能力!
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我印象最深的是柯西-Schwarz 不等式,感觉它在很多领域都有应用。作者的讲解很清楚易懂,让我对这个看似复杂的数学工具有了一个更深入的理解。
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数学不等式的应用范围真广啊!从物理到计算机科学,到处都能看到它们的身影。感觉这篇文章很有启发,值得好好阅读一遍。
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我以前完全不重视不等式,觉得它们很枯燥乏味…现在看来真是太片面的认知了!文章中提到的几个例子确实让我看到了它们的实际意义。
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作为一名物理系学生,对数学的不等式的理解非常重要。感谢作者的精彩分享,尤其是对常见不等式和应用方法的讲解,很有帮助。
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感觉这篇文章有点抽象,没太能理解作者想表达的意思。也许用一些更具体的案例来 illustrate 会更容易接受吧?
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虽然我一直觉得数学是理性的,但是不等式这种工具却体现了它和现实世界的奇妙联系!这个角度挺有意思的。
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我觉得文章应该再多说一点具体的不等式推导方法,这样更能帮助读者理解它们的原理。纯粹停留在应用案例上可能会让人一头雾水。
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作者分析得很透彻,几个重要不等式的特点和适用场景都提到了!让我对这些看似简单的公式有了全新的认识。
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总的来说,这篇文章比较有见地,开阔了我对数学不等式理解的范围。不过,如果能再添加一些更深入的探讨,比如不等式的历史背景或与其他数学分支的关系,就更完美了!
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这篇博文给我启示很大!我一直以来都觉得数学只是公式和算法的堆砌,没有实际意义......现在看来我错了!
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感觉这个标题太吸引人了!的确要重视不等式啊,它不仅是数学的瑰宝,而且在解决现实问题中起着重要的作用。
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文章对每个不等式的解释都很详细,让我茅塞顿开了。原来这些看似复杂的不等式,其实都有一定的规律和逻辑可循的!
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这篇文章有点太抽象了,我理解不了很多地方...也许可以配上一些生动的图片或动画来辅助解释?这样更容易让人明白吧。
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我虽然没有学过这些专业的不等式,但通过阅读文章,我感受到它们背后的深邃美妙。数学的魅力果然不可限量啊!
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对于学习数学的人来说,这篇文章绝对是一本好教材!作者不仅介绍了几个重要不等式的原理和应用,还分析了它们的局限性和发展方向。真是难得的好博文!
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我觉得文章应该更加注重实践案例的讲解。理论知识固然很重要,但如果能结合实际应用场景来解释这些数学工具,就更容易被读者理解和接受。
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这篇文章让我对不等式有了全新的认识!原来它们并非冰冷的符号,反而蕴含着丰富的数学美学和现实意义。我现在更加想深入研究这一领域的知识了!
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