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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、 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 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。 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。

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。, , などに置きかえれば、上の形になります。

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。証明は差をとって (√a - √b)² にするだけ。直径 a + b の半円を描くと、半径が相加平均、垂線が相乗平均になり、図がそのまま等号成立を語ります。最小値に使えるのは 2 数の積が定数のときだけで、等号が定義域に入るかの確認まで含めて扱いました。