Соотнешие между средними величинами - средним арифметическим, средним геометрическом, средним квадратическим и средним гармоническим.
Зачастую в средних класах мы пользуемся известным выражением о том, что среднее арифметическое двух неотрицательных чисел больше чем среднее геометрические их значение:
(a + b)/2 ≥ √ab, для любых a, b ∈ Z +.
Доказывается неравенство достаточно просто. Умнажаем обе части на 2 и переносим правую честь влево:
a + b - 2√ab ≥ 0;
(√a - √b)2 ≥ 0.
Что и требовалось доказать.
Оказывается, это неравествено - это лишь частный случай т.н. соотношения между средними величинами.
Для двух положительных чисел оно имеет следующий вид (общий случай для n чисел):
Пусть a, b ∈ R, тогда иммет место неравенство:
2 1/a + 1/b |
≤ √ ab ≤ | ab 2 |
≤ | √a2 + b2 √2 |
где части неравества имеют названия (по мере возрастания) - среднее гармоническое, среднее геометрическое, среднее арифметическое, среднее квадратическое.
Докажем его. Покажем, что среднее геометрическое больше, чем среднее гармоническое.
√ab ≥ 2/(1/a + 1/b);
√ab ≥ 2ab / (a + b);
√ab(a + b) ≥ 2ab; сокращаем на √ab, т.к. это положительное число.
a + b ≥ 2√ab;
(√a - √b)2 ≥ 0.
Что и требовалось доказать.
Соотношение между средним арифметическим и средним геометрическим рассматривалось выше. Докажем, что среднее квадратическое больше среднего арифметического:
√(a2 + b2) / 2 ≥ (a + b) / 2; так как справа положительное число, подносим в квадрат обе части:
(a2 + b2) / 2 ≥ (a2 + 2ab + b2) / 4; переносим все в левую часть, умножаем на 4:
a2 - 2ab + b2 ≥ 0;
(a - b)2 ≥ 0.
Что и требовалось доказать.
Неравенство имеет место для n чисел и звучит так:
Для любых n положительных чисел a1 ≤ a2 ≤ .... ≤ an имеет место соотношение:
a1 ≤ | n 1 / a1 + 1 / a2 + ... + 1 / an |
≤ n√ a1a2...an ≤ | a1 + a2 + ... + an n |
≤ | √a12 + a22 + ... + an2 √n |
≤ an |
причем равенство достигается лишь тогда и только тогда, когда a1 = a2 = .... = an, где
n 1 / a1 + 1 / a2 + ... + 1 / an |
- среднее гармоническое, |
n√ a1a2...an | - среднее геометрическое, |
a1 + a2 + ... + an n |
- среднее арифметическое, |
√a12 + a22 + ... + an2 √n |
- среднее квадратическое. |