Доказать, что
![\frac{x_1 + x_2 + \ldots + x_n}{n} \geqslant \sqrt[n]{x_1 x_2 \ldots x_n}](http://upload.wikimedia.org/wikibooks/ru/math/4/6/1/461485569a3d3f21fdd66a61295a731c.png)
для любых неотрицательных чисел
.
ИНТУИЦИЯ. Нам надо будет, в ШАГЕ, связать каким-то образом
с
. Заметим, что если у нас есть среднее арифметическое n чисел и если к ним добавить n + 1 число, равное среднему арифметическому, то среднее арифметическое n + 1 таких чисел будет равно среднему арифметическому n чисел. Например, если у нас есть числа 3 и 5, то если к ним добавить их среднее арифметическое, число 4, то среднее арифметическое 3,4,5 останется4.

.
Однако, каким образом мы может добавить число, которое нам вздумается? Ведь мы должны доказать ПЕРЕХОД для любых k + 1 чисел. Значит нам нужно сначала как-то «сократить» количество с k + 1. Для этого полезно следующие наблюдение. Мы можем сгруппировать числа парами, и тогда количество чисел уменьшиться и мы сможем добавить нужные нам числа.
Однако делать это нужно аккуратно. Так, если у нас есть нечётное количество чисел, то у нас останется «лишнее» число. Заметим, что добавлением нуля проблему не решишь, например,
,
и, несмотря на то, что у нас есть две пары, то есть с числителем дроби всё вроде бы в порядке, у нас проблема со знаменателем, нам нужно, чтобы в знаменателе было 2, а не 3. Попытка
![\frac{2}{3} \cdot \frac{(x_1 + x_2) + (x_3 + 0)}{2} = \frac{2}{3}\sqrt[2]{(x_1 + x_2)(x_3 + 0)}](http://upload.wikimedia.org/wikibooks/ru/math/f/1/7/f1707354ad2a7b0fcac0f6e28b2ef95d.png)
ни к чему не приводит, получили и корень не той степени, и неправильное подкоренное выражение, и коэффициент
, с которым вообще непонятно, что делать. Значит, нужно искать другой путь. А что, если в числитель «поднять» из знаменателя 3?
.
Получили
.
Если бы в подкорневом выражении вместо умножения на x3 было бы сложение, то мы бы имели бы одно и то же выражение в разной степени (отвлекаясь от двойки) и могли бы дальше что-то делать. А так…
Давайте посмотрим на этот путь при чётных n. Но и этого недостаточно, например, для n = 6 мы будем иметь

Чтобы могли применить ММИ, нужно чтобы в знаменателе было x3 (так как x3 пары), но
, поэтому получим
.
Однако для n = 3 невозможно применить индукцию, так как 3 — число нечётное.
Попутно можно заметить, что никакие числа у нас теперь «не торчат». Если бы мы могли применить ММИ, то получили бы выражение
. И тут мы можем применить снова неравенство Коши для n = 1 и получить
, и утверждение доказано. Вполне возможно, что мы натолкнулись на плодотворную идею. Для чётного n = 2s мы можем разбить числитель на s разных пар и «поднять» из знаменателя 2, то есть если наши пары будут выглядеть как
. Однако, число в знаменателе должно подходить к применению ММИ.
Значит n должно быть чётным, и при том «настолько» чётным, чтобы мы могли применить к нему индукцию (чтобы
было тоже чётным). Может быть достаточно взять n = 4s? Попробуем:
для n = 12 мы будем иметь

.
И для применения ММИ 6 должно делиться на 4. Если устранить это препятствие, то всё получится:
![\sqrt[3]{\frac{x_1 + x_2}{2}\frac{x_3 + x_4}{2}\frac{x_5 + x_6}{2}\frac{x_7 + x_8}{2}\frac{x_9 + x_{10}}{2}\frac{x_{11} + x_{12}}{2}} =](http://upload.wikimedia.org/wikibooks/ru/math/e/2/e/e2e8af294f0c722dd1991a0cf5332638.png)
![= \sqrt[3]{ \sqrt[2]{x_1 \cdot x_2}\sqrt[2]{x_3 \cdot x_4}\sqrt[2]{x_5 \cdot x_6}\sqrt[2]{x_7 \cdot x_8}\sqrt[2]{x_9 \cdot x_{10}}\sqrt[2]{x_{11} \cdot x_{12}}} =](http://upload.wikimedia.org/wikibooks/ru/math/1/0/6/106288d9e01e81abbdec7cc55fd4f39a.png)
)
Значит, нам нужно выбрать «настолько чётное n» (делиться на 8?), что половина его также будет «настолько чётным». Как мы уже убедились кратность двум или четырём недостаточно. А что, если n будет состоять из степеней двойки, то есть существует такое s, что n = 2s? В таком случае половина n также будет состоять из степеней двойки, так как
. Вроде как должно сработать. Это довольно общее замечание, если вы хотите доказать что-то для чётных n, то сначала вы должны доказать это для степени двойки, n = 2s.
Итак, опишем схему доказательства.
- Сначала, докажем тождество для степени двойки n = 2s для
. Идею доказательства смотри выше.
- Доказав для чисел вида 2s, нужно распространить доказательства для всех чисел. Выберем любое k такое, что
. Для 2k неравенство доказано. Значит, мы должны доказать тождество и для 2k − 1 (тогда оно будет верно и для 2k − 2, и так далее, пока не доберёмся до n).
- Затем, предположив, что тождество верно для n = k, нужно доказать его для n = k − 1. Идея доказательства состоит в добавлении k-го элемента, равного среднему арифметическому.
Решение
Сначала ММИ докажем это равенство для всех n, равных степени двойки.
БАЗА: нужно показать, что
. Действительно,
.
ПРЕДПОЛОЖИМ, что мы умеем доказывать неравенство при n = 2k. Докажем его для n = 2k + 1. Итак, у нас есть 2k + 1 чисел
. Обозначим
. Поскольку чисел
всего 2k, то по предположению,
. Следовательно,

![\geqslant \sqrt[2^k]{y_1 y_2 \ldots y_{2^k}} = \sqrt[2^k]{(\frac{x_1 + x_2}{2})(\frac{x_3 + x_4}{2}) \ldots (\frac{x_{2^{k + 1} - 1} + x_{2^{k + 1}}}{2})} \geqslant](http://upload.wikimedia.org/wikibooks/ru/math/a/5/f/a5f353cef6772e8f8ef768f5a2087141.png)
.
Итак, неравенство доказано для случаев, когда n есть степень двойки. Теперь индукцией вниз распространяем на остальные n. Это относительно сложный момент в доказательстве. Предположим, что неравенство Коши доказано для n = k. Необходимо доказать, что оно верно и для n = k − 1. Это можно сделать так. Пусть у нас есть k − 1чисел
. Добавим к ним
— k-е число, равное их среднему арифметическому. Для этих k чисел неравенство Коши по предположению верно, и мы можем его использовать:

.
Домножим левую и правую части на
получим
.
Возведя обе части в степень
, получаем
,
что и требовалось доказать.
Ясно, что теперь неравенство доказано для любого n: выбираем любое k такое, что
. Для 2k неравенство доказано. Значит, оно верно, как мы только что показали, и для 2k − 1, а раз верно для 2k − 1, то верно и для 2k − 2, и так далее, пока не доберёмся до n.