条件式と帰納法

やや発展的な帰納法を利用する問題について見ていきます。

 

(例題1)
(1)\(a_1\cdot a_2\cdot\cdots\cdot a_n=1\) である任意の\(n\)個 (\(n≧2\)) の正の数\(a_1,a_2,\cdots,a_n\)に対して、\(a_1+a_2+\cdots+a_n≧n\) が成り立つことを示せ。

(2)\(n\)個 (\(n≧2\)) の正の数\(a_1,a_2,\cdots,a_n\)に対して
\(\displaystyle\frac{a_1+a_2+\cdots+a_n}{n}≧\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}\)
が成り立つことを示せ。

 

(解答)
(1)

証明すべきことの意味は「\(n\)個の正の数の積が\(1\)であるとき、それらの和は\(n\)以上」ということです。(数式ではなくこの意味で考えたほうがよい)
数学的帰納法で証明していきますが、\(k→k+1\) のときに少し工夫が必要です。
またスタートは\(n=2\)からです。

\(n\)個の正の数の積が\(1\)であるとき、それらの和は\(n\)以上」・・・①
を数学的帰納法で示す。

\(n=2\)のときの証明すべき不等式は、\(a_1+a_2≧2\) ですが、\(a_n\)はすべて正の数であることから相加相乗平均の不等式を利用します。

[1]\(n=2\)のとき
\(a_1a_2=1\)
このとき相加相乗平均の不等式より
\(a_1+a_2≧2\sqrt{a_1a_2}\)
\(a_1+a_2≧2\)
よって、①は\(n=2\)のとき成り立つ。

[2]\(n=k\)のとき (\(k=2,3,\cdots\))
①が成り立つと仮定する。

\(n=k+1\)の証明すべきことは
「\(a_1\cdot a_2\cdot\cdots\cdot a_{k}\cdot a_{k+1}=1\) のとき、\(a_1+a_2+\cdots+a_k+a_{k+1}≧k+1\)」ですが、①を言葉で考えたのは、\(n=k\) の仮定を 「\(a_1\cdot a_2\cdot\cdots\cdot a_{k}=1\)」としてしまうと、\(a_{k+1}=1\) (に限る)という限定的な結論になってしまうことを避けるためです(\(k+1\)個の数は任意でなくてはならないのでダメ)。問題文の意味することは、個々の\(n=□\)について「\(n\)個の正の数の積が\(1\)のときそれら\(n\)個の数の和が\(n\)以上」です。

ここで\(k+1\)個の正の数、\(a_1,a_2,\cdots,a_k,a_{k+1}\) について、積の条件から
\(a_1a_2\cdots\cdot a_{k}a_{k+1}=1\)

\(k+1\)個の積を帰納法の仮定が使えるようにするために、\(a_1,a_2,\cdots,a_{k-1},a_{k}a_{k+1}\) (最後だけ積にする) と\(k\)個に分けます。

\(a_1,a_2,\cdots,a_{k-1},a_{k}a_{k+1}\) は\(k\)個の正の数で、その積は\(1\)だから
\(n=k\)の仮定から
\(a_1+a_2+\cdots+a_{k-1}+a_{k}a_{k+1}≧k\)
両辺に\(1\)を加えて
\(a_1+a_2+\cdots+a_{k-1}+a_{k}a_{k+1}+1≧k+1\)・・・②

証明すべき不等式
\(a_1+a_2+\cdots+a_{k-1}+a_k+a_{k+1}≧k+1\)
と比べると、\(a_k+a_{k+1}≧a_{k}a_{k+1}+1\) が示せればよいことが分かります。これを整理して因数分解すると、\((a_{k}-1)(1-a_{k+1})≧0\)・・・③ですが、ここでこの例題では、登場する正の数の順番を入れ替えても問題ない(対称性がある)から、\(a_1,a_2,\cdots,a_{k-1},a_{k},a_{k+1}\)の数の大小を設定することで、③を示すことができます。

\(a_1,a_2,\cdots,a_k,a_{k+1}\) について
最大の数を\(a_k\)、最小の数を\(a_{k+1}\)
としても一般性を失わず、これらの積が\(1\)であることから
\(a_k≧1\),  \(a_{k+1}≦1\)

よって
\(a_k+a_{k+1}-(a_{k}a_{k+1}+1)\)
\(=(a_k-1)(1-a_{k+1})≧0\)
だから
\(a_k+a_{k+1}≧a_{k}a_{k+1}+1\)・・・③

したがって②③より
\(a_1+a_2+\cdots+a_{k-1}+a_{k}+a_{k+1}≧k+1\)
となるから、\(n=k+1\)でも①は成立する。

[1][2]より\(2\)以上の自然数について題意は成立する。

 

(参考)等号成立について
等号成立は \(a_1=a_2=\cdots=a_n=1\) ですが、これも帰納法によって証明できます。概略をいうと
[1]\(n=2\)のとき
相加相乗平均の不等式の等号が成り立つときなので、\(a_1=a_2\)
これと\(a_1a_2=1\) から、\(a_1=a_2=1\)

[2]\(n=k\)のとき
\(a_1+a_2+\cdots+a_{k-1}+a_{k}a_{k+1}+1≧k+1\)・・・②
の等号が成り立つのは\(n=k\)での等号成立の仮定より
\(a_1=a_2=\cdots=a_{k-1}=a_{k}a_{k+1}=1\)・・・(i)

\(a_k+a_{k+1}≧a_{k}a_{k+1}+1\)・・・③
の等号が成り立つのは因数分解した式から
\(a_{k}=1\) または \(a_{k+1}=1\)・・・(ii)

\(n=k+1\)の不等式
\(a_1+a_2+\cdots+a_{k-1}+a_{k}+a_{k+1}≧k+1\)
が成り立つのは、②③の両方の等号が成り立つときだからその条件は(i)かつ(ii)

したがって\(n=k+1\)の等号成立条件は
\(a_1=a_2=\cdots=a_k=a_{k+1}=1\)
と結論づけることができます。

 

(2)

(1)を利用します。証明したい式を変形すると
\(\displaystyle\frac{a_1}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}+\displaystyle\frac{a_2}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}+\cdots+\displaystyle\frac{a_n}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}≧n\)
ですが、左辺の項をすべて掛けると1になるので(1)の結果が使えます。

\(n\)個の正の数
\(\displaystyle\frac{a_1}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}},\displaystyle\frac{a_2}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}},\cdots,\displaystyle\frac{a_n}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}\)
について、これらの積は\(1\)だから(1)より

\(\displaystyle\frac{a_1}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}+\displaystyle\frac{a_2}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}+\cdots+\displaystyle\frac{a_n}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}≧n\)

したがって
\(\displaystyle\frac{a_1+a_2+\cdots+a_n}{n}≧\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}\)

 

(参考)
等号は(1)の参考から
\(\displaystyle\frac{a_1}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}=\displaystyle\frac{a_2}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}=\cdots=\displaystyle\frac{a_n}{\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}}=1\)

より
\(a_1=a_2=\cdots=a_n\)
となります。\(=1\)については、\(a_i=\sqrt[n]{a_1a_2\cdots a_n}\) (\(i=1,2,\cdots,n\))ですが、これは \(a_1=a_2=\cdots=a_n\) から成り立つので省きます。

なお(2)の不等式は\(n\)変数の相加相乗平均の不等式といわれるもので、2つの数の相加相乗平均の不等式を一般化したものです。

 

 

 

(例題2)
関数\(f(x)\)は、\(p+q=1\) を満たすすべての正の数\(p,q\)と、すべての実数\(x,y\)に対して、
\(f(px+qy)≦pf(x)+qf(y)\) を満たしているとする。
このとき、\(2\)以上の自然数\(n\)について、\(p_1+p_2+\cdots+p_n=1\) を満たすすべての正の数\(p_1,p_2,\cdots,p_n\)と、すべての実数\(x_1,x_2,\cdots,x_n\)に対して
\(f(p_1x_1+p_2x_2+\cdots+p_nx_n)≦p_1f(x_1)+p_2f(x_2)+\cdots+p_nf(x_n)\)
が成り立つことを証明せよ。

 

 

解答に入る前に最初の条件について少しだけ説明しておきます。
\(x<y\)のとき、\(p+q=1\) より \(px+qy=\displaystyle\frac{px+qy}{p+q}\) なので、\((px+qy,0)\) は 2点 \((x,0),(y,0)\) を\(q:p\) の比に内分する点の座標で、 \(pf(x)+qf(y)\) も同様なので、\(f(px+qy)≦pf(x)+qf(y)\) は「\(x\)座標が\(px+qy\)のときの関数の値は、2点 \((x,f(x)),(y,f(y))\) を\(q:p\) の比に内分する点の\(y\)座標より小さい」ということを表しています。よって図より関数\(f(x)\)は下に凸であることになります。不等号が逆だと上に凸の関数となり、このグラフの凸性を表す不等式は凸不等式とよばれます。
条件式 帰納法 例題2

(解答)

\(f(x)\)の凸性に関する不等式なので微分(2解微分)がよぎりますが、微分可能性について何も言及がないので自然数\(n\)に着目した帰納法の証明をとることになります。今回も\(k→k+1\) につなげるときの工夫が必要で、また証明すべき命題をできれば言葉で表したいですがこの例題だと難しいので数式で表します。このとき解答を進める際には数式だけでなく意味を意識して下さい。

命題\(A(n):\)「\(p_1+p_2+\cdots+p_n=1\)のとき、\(f(p_1x_1+p_2x_2+\cdots+p_nx_n)≦p_1f(x_1)+p_2f(x_2)+\cdots+p_nf(x_n)\)
が成り立つ」

ことを数学的帰納法で示す。

与条件は「\(p+q=1\) を満たすすべての正の数\(p,q\)と、すべての実数\(x,y\)に対して、
\(f(px+qy)≦pf(x)+qf(y)\)」・・・①
であり

[1]\(n=2\) のとき
\(p_1+p_2=1\) だから①より
\(f(p_1x_1+p_2x_2)≦p_1f(x_1)+p_2f(x_2)\)
が成り立つので、\(A(2)\)は正しい。

[2]\(n=k\) のとき (\(k=2,3,\cdots\))
命題\(A(k)\)が正しいと仮定する。

この仮定を意味で考えると、「\(k\)個の\(p_i\)の和が\(1\)のとき、\(k\)個の\(p_i,x_i\)と\(f(x)\)に関する不等式が成り立つ」ということです。

命題\(A(k+1)\)の条件より
\(p_1+p_2+\cdots+p_{k-1}+(p_k+p_{k+1})=1\)

(まず帰納法の仮定が使えるように\(k\)個の和になるようにします)

\(p_k+p_{k+1}=P\) とおくと
\(p_1+p_2+\cdots+p_{k-1}+P=1\)・・・②

示したい不等式は
\(p_1+p_2+\cdots+p_n=1\)のとき、
\(f(p_1x_1+p_2x_2+\cdots+p_kx_k+p_{k+1}x_{k+1})\)
\(≦p_1f(x_1)+p_2f(x_2)+\cdots+p_kf(x_k)+p_{k+1}f(x_{k+1})\)
なので、この左辺になるように、\(PX=p_kx_{k}+p_{k+1}x_{k+1}\) となる\(X\)を決定します。

②から\(n=k\)の仮定より
\(f(p_1x_1+p_2x_2+\cdots+p_{k-1}x_{k-1}+PX)\)
\(≦p_1f(x_1)+p_2f(x_2)+\cdots+p_{k-1}f(x_{k-1})+Pf(X)\)・・・③
であり、

\(X=\displaystyle\frac{p_kx_{k}+p_{k+1}x_{k+1}}{P}=\displaystyle\frac{p_kx_{k}+p_{k+1}x_{k+1}}{p_k+p_{k+1}}\)

とすれば③は
\(f(p_1x_1+p_2x_2+\cdots+p_{k-1}x_{k-1}+p_kx_{k}+p_{k+1}x_{k+1})\)
\(≦p_1f(x_1)+p_2f(x_2)+\cdots+p_{k-1}f(x_{k-1})\)
\(+(p_k+p_{k+1})f(\displaystyle\frac{p_k}{p_k+p_{k+1}}x_k+\displaystyle\frac{p_{k+1}}{p_k+p_{k+1}}x_{k+1})\)・・・④

あとは最後の部分に\(n=2\)の不等式(与条件①の不等式でもよい)を適用させるだけです。

また、
\(\displaystyle\frac{p_k}{p_k+p_{k+1}}+\displaystyle\frac{p_{k+1}}{p_k+p_{k+1}}=1\)
だから、[1]より

\(f(\displaystyle\frac{p_k}{p_k+p_{k+1}}x_k+\displaystyle\frac{p_{k+1}}{p_k+p_{k+1}}x_{k+1})≦\displaystyle\frac{p_k}{p_k+p_{k+1}}f(x_k)+\displaystyle\frac{p_{k+1}}{p_k+p_{k+1}}f(x_{k+1})\)

したがってこれと④より
\(f(p_1x_1+p_2x_2+\cdots+p_{k-1}x_{k-1}+p_kx_{k}+p_{k+1}x_{k+1})\)
\(≦p_1f(x_1)+p_2f(x_2)+\cdots+p_{k-1}f(x_{k-1})+p_kf(x_k)+p_{k+1}f(x_{k+1})\)
が成り立つから、\(A(k+1)\)も正しい。

[1][2]より\(2\)以上の自然数について\(A(n)\)は正しいから題意は示された。

 

 

 

 

以上になります。お疲れさまでした。
ここまで見ていただきありがとうございました。
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