对数列
,记则有.
上式称为阿贝尔变换,或分部求和公式(类似于分部积分),它可用于证明
无穷级数的阿贝尔判别法.
证明:由
得
应用阿贝尔变换及其证明方法,可较好地解决一些较复杂的、带约束条件的、涉及两个数列的对应项之积的和的上下界估计问题.
例1 已知,满足.
证明:
.
讲解:记诸
中全体非负数之和为A,全体负数之和为B,则由条件有A-B=1,且A+B=0.故必有A=
,B=
.
记
则
.
由阿贝尔变换有
从而,
例2 设.求证.这里表示不超过的最大整数.
讲解:从求证式的左边看,似可用
.但以下难以进行,关键是
与结论的关系不明显.转而用
可推出
便为用数学归纳法证明此题扫清了障碍.最后的证明还要用到关系式
.请读者自己完成.
例3 设,且.求的最大值和最小值.
讲解:易得
的最小值为1(诸
中一个为1,而其余全为零时达到).为求最大值,注意到
若令
,则诸
.逆用阿贝尔变换的证明方法可将条件化为
.再由
有
.
记
,故有
.利用柯西不等式可得
的最大值为
(当
时取到).
例4 实数满足,令.求的最大可能值.
讲解:由于不知
和
的大小关系,可将差
视为整体,将条件
视为关于
的一个约束关系.作代换
,则
,条件即为
.此时
则
记
则
又
,故
由上述过程知,当且仅当
时等号成立.故所求最大值为2000.
例5 已知和为实数.证明:使得对任何满足的实数,不等式恒成立的充要条件是,且.
讲解:记
,则条件
可化为
取
,有
,由
的任意性知必有
.
取
,
,可得
.必要性得证.
充分性只要求在“
,且
”下证明式(1)成立.
例6 给定求最小常数使得对任意整数及实数,只要满足总有,其中表示不超过的最大整数.
讲解:应先据式(1)用特殊值法求出
的一个下界,最简单的方法是取诸
全相等.但由于
事先给定,诸
全相等时不一定能满足条件,因而先退一步,令
,而
,不妨设
,代入式(1)有
由此可解出
(注意到
,且
).将取定的这组正数代入
中,有
则
令
得
.欲证所求最小常数恰为
,应证对满足式(1)的任何递增数列
,恒有
记
,由阿贝尔变换得
现要将
的关系式(3)变为只含
和
的关系式(2),应设法用
和
来表示诸
,或限制其范围.显然
时,有
,但若将
都直接放大到
就可能过头了,根本不需要
的递增条件.而由
的递增条件,当
时,前
个数的平均数不超过前
个数的平均数,即
.
又
时,
.同样由
的递增条件,
个数
的平均数不超过
个数
的平均数.于是,
时,有
式(3)化为
故
练习题
- (阿贝尔不等式)设,对记则有
- 已知为任意两两各不相同的正整数.求证:对任意正整数,下列不等式成立:(提示:由阿贝尔变换得,其中.)
- (钟开莱不等式)设,对恒有.则必有.
(提示:先用阿贝尔变换证明,再用柯西不等式推出结论.)
- 已知是实数列,满足[这称为Subadditivity],证明:
(1);
(2)
(提示:(1);(2)仿(1)得再对求证式左边用阿贝尔变换.)
- 设.求证.
(提示:令,结论转化为,用阿贝尔变换及均值不等式可得).
应用阿贝尔变换解竞赛题. 方廷刚.《中等数学》2003