相加平均と相乗平均 - 高校数学の不等式の証明と最小値
, のとき、次が成り立ちます。
左辺が相加平均、右辺が相乗平均。足して割った値は、掛けて根号をとった値を下回りません。等号が立つのは のときだけです。
証明は差をとるだけ
, が実数であることを使います。差を 倍して整理する。
乗なので 以上。 で割れば不等式が出ます。等号は 、つまり のとき。
, という条件は外せません。根号の中身が負になると が実数でなくなり、比べる相手がなくなります。
直径が の半円を描き、 と の境目から垂線を立てると、その長さが になります。半径は 。垂線は半径を超えられません。
のとき境目が中心と重なり、垂線がそのまま半径になる。図がそのまま等号成立条件を語っています。
最小値を出す道具になる
相加相乗が実際に使われるのは、最小値を求める場面です。 のとき の最小値を考えます。
つの正の数 と に当てると
積が という定数なので、根号の中身が によらない値になりました。ここが要点です。等号は 、つまり のとき。最小値 です。
曲線は破線より下へ行かず、 でだけ触れます。相加相乗が言っているのは、この破線の高さが だということ。
積が定数にならないと使えない
相加相乗で最小値が出るのは、 数の積が定数になるときだけです。 なら積が で定数なので が最小値。
いっぽう は積が で、 が残ってしまう。この形にそのまま当てても、右辺が定数にならないので最小値は出ません。
分け方を工夫すれば使える場合もあります。 を と つに割ると、積が で定数になる。 数の相加相乗を使う形です。
等号が成り立つかを確かめる
最小値を答える前に、等号が実際に成り立つ が定義域の中にあるかを見ます。
という条件で の最小値を問われたとします。相加相乗は を出しますが、等号成立は で、これは定義域の外。したがって は最小値になりません。
この場合は で単調に増えることを別に示して、 での値 が最小と答えます。等号成立条件を確かめないと、届かない値を最小値と書いてしまう。
3 数の場合
, , がすべて正のとき、次が成り立ちます。
数のときと同じで、等号は 。証明は の因数分解を使います。
第 因数は 倍すると になるので 以上。第 因数も正なので、全体が 以上です。, , を などに置きかえれば、上の形になります。









