Aufgabensammlung Mathematik: Beweise für diverse Ungleichungen

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Beweise für diverse Ungleichungen

Auf dieser Seite findest du Aufgaben zum Beweis von Ungleichungen.

Aufgabe 1

Zeige in einem ersten Schritt, dass für alle a,b gilt:

ab12(a2+b2).

Diese Ungleichung wird gelegentlich auch als "binomische Ungleichung" bezeichnet.

Folgere mit ihrer Hilfe dann nachstehenden Sachverhalt:

(x+y)(y+z)(z+x)8xyz, wobei x,y,z+.

Lösungshinweis

Zum ersten Aufgabenteil: Du weißt, dass das Quadrat einer reellen Zahl stets nicht-negativ ist. Starte also mit (ab)20.

Zum zweiten Aufgabenteil: Wende die binomische Ungleichung an mit x anstelle von a und y anstelle von b. Was folgt für x+y? Analog für y+z und z+x.


Beweis

Es ist (ab)20bzw.a22ab+b20

Weiter gilt a22ab+b20a2+b22ab12(a2+b2)ab.

Schon bist du mit dem ersten Aufgabenteil durch.

Dem Hinweis folgend, halten wir fest: xy12(x+y)bzw.2xyx+y.

Analog folgen die Beziehungen  2yzy+zund2zxz+x.


Somit gilt letztendlich (x+y)(y+z)(z+x)2xy2yz2zx=8xyz.

Aufgabe 2

Zeige in einem ersten Schritt, dass für alle x,y+gilt:

x2x+y3xy4.

Folgere mit Hilfe dieser Ungleichung dann die nachstehende:

a2a+b+b2b+c+c2c+a12(a+b+c), wobei a,b,c+.

Lösungshinweis

Zum ersten Abschnitt: Verwende xyyx0.

Zum zweiten Abschnitt: Wende die Erkenntnis aus dem ersten Abschnitt auf jeden der Summanden a2a+b,b2b+c,c2c+a an.

Beweis

x2x+y3xy4x2x+y3xy40.

Mit x2x+y3xy4=4x2(3xy)(x+y)4(x+y)=(xy)24(x+y)0 (Zähler und Nenner sind beide positiv!) folgt die Behauptung.

Dem Lösungshinweis folgend, gelangst du schnell zur Lösung des zweiten Abschnitts:

a2a+b+b2b+c+c2c+a3ab4+3bc4+3ca4=2a+2b+2c4=12(a+b+c).

Aufgabe 3

a) Zeige, dass für alle x,y0 gilt:

a+b2ab.

Da der Quotient (a+b)/2 als "arithmetisches Mittel" bezeichnet wird und der Wurzelterm ab als "geometrisches Mittel", heißt diese Beziehung die "Ungleichung vom arithmetischen und geometrischen Mittel". Diese gibt es auch in allgemeinerer Form; hier begnügen wir uns mit der Version für zwei Zahlen.

b) Zeige, dass für alle x,y+ gilt:

xy+yx2.

Die Summe aus einem Quotienten und seinem Kehrwert ist also größer/gleich 2 (insofern hätte als Bedingung an x und y auch gelten können: x,y). Mit y=1 folgt, dass die Summe aus einer beliebigen positiven Zahl und ihrem Inversen größer/gleich 2 ist.

c) Zeige, dass für alle a1,x>0 gilt:

ax+a1/x2a.

Lösungshinweis

Zu a): Nutze wieder die Tatsache, dass das Quadrat einer reellen Zahl nicht-negativ ist; steige ein mit (xy)20.

Zu b): Verwende a)

Zu c): Verwende zuerst a) und anschließend b)

Beweis

a) (xy)20, also x2xy+y0.

Dies ist äquivalent zu x+y2xy sowie x+y2xy.

b) Setze die nicht-negativen Zahlen xy und yx in die Ungleichung vom arithmetischen und geometrischen Mittel ein: xy+yx2xyyx=1bzw.xy+yx2.

c) ax+a1/x2axa1/x=ax+1/xa2=a.