Глава VI. НЕРАВЕНСТВА

§ 1. Числовые и алгебраические неравенства

74. Свойства неравенств. Действия над неравенствами.

Поле действительных чисел обладает свойством упорядоченности (п. 6, стр. 35): для любых чисел а, b имеет место одно и только одно из трех соотношений: или . При этом запись а > b означает, что разность положительна, а запись разность отрицательна. В отличие от поля действительных чисел, поле комплексных чисел не упорядочивается: для комплексных чисел понятия «больше» и «меньше» не определяются; поэтому в данной главе рассматриваются только действительные числа.

Соотношения назовем неравенствами, числа а и b — членами (или частями) неравенства, знаки > (больше) и < (меньше) - знаками неравенства.

Неравенства а > b и с > d называются неравенствами одинакового (или одного и того же) смысла; неравенства а > b и с < d называются неравенствами противоположного (или разного) смысла.

Из определения неравенства сразу следует, что

1) любое положительное число больше нуля;

2) любое отрицательное число меньше нуля;

3) любое положительное число больше любого отрицательного числа;

4) из двух отрицательных чисел больше то, абсолютная величина которого меньше.

Все эти утверждения допускают простое геометрическое истолкование. Пусть положительное направление числовой оси идет вправо от начальной точки; тогда, каковы бы ни были знаки чисел, большее из них изображается точкой, лежащей правее точки, изображающей меньшее число.

Неравенства обладают следующими основными свойствами.

1. Несимметричность (необратимость): если , то , и обратно.

Действительно, если разность положительна, то разность отрицательна. Говорят, что при перестановке членов неравенства надо смысл неравенства изменить на противоположный.

2. Транзитивность: если , то . Действительно, из положительности разностей следует и положительность

Кроме знаков неравенства применяют также знаки неравенства и Они определяются следующим образом: запись означает, что либо либо Поэтому, например, можно писать , а также . Обычно неравенства, записанные с помощью знаков называют строгими неравенствами, а записанные с помощью знаков нестрогими неравенствами. Соответственно и сами знаки называют знаками строгого или нестрогого неравенства. Свойства 1 и 2, рассмотренные выше, верны и для нестрогих неравенств.

Рассмотрим теперь действия, которые можно производить над одним или несколькими неравенствами.

3. От прибавления к членам неравенства одного и того же числа смысл неравенства не изменяется.

Доказательство. Пусть даны неравенство и произвольное число . По определению разность положительна. Прибавим к этому числу два противоположных числа от чего оно не изменится, т. е.

Это равенство можно переписать так:

Из этого следует, что разность положительна, т. е. что

а это и надо было доказать.

На этом основана возможность перекоса любого члена неравенства из одной его части в другую с противоположным знаком. Например, из неравенства

следует, что

4. При умножении членов неравенства на одно и то же положительное число смысл неравенства не изменяется; при умножении членов неравенства на одно и то же отрицательное число смысл неравенства изменяется на противоположный.

Доказательство. Пусть тогда Если то так как произведение положительных чисел положительно. Раскрыв скобки в левой части последнего неравенства, получим , т. е. . Аналогичным образом рассматривается случай .

Точно такой же вывод можно сделать и относительно деления частей неравенства на какое-либо отличное от нуля число, так как деление на число равносильно умножению на число а числа имеют одинаковые знаки.

5. Пусть члены неравенства положительны. Тогда при возведении его членов в одну и ту же положительную степень смысл неравенства не изменяется.

Доказательство. Пусть этом случае по свойству транзитивности и . Тогда в силу монотонного возрастания степенной функции при и положительном будем иметь

В частности, если где -натуральное число, то получим

т. е. при извлечении корня из обеих частей неравенства с положительными членами смысл неравенства не изменяется.

Пусть члены неравенства отрицательны. Тогда нетрудно доказать, что при возведении его членов в нечетную натуральную степень смысл неравенства не изменится, а при возведении в четную натуральную степень изменится на противоположный. Из неравенств с отрицательными членами можно также извлекать корень нечетной степени.

Пусть, далее, члены неравенства имеют разные знаки. Тогда при возведении его в нечетную степень смысл неравенства не изменится, а при возведении в четную степень о смысле получающегося неравенства ничего определенного в общем случае сказать нельзя. В самом деле, при возведении числа в нечетную степень знак числа сохраняется и поэтому смысл неравенства не изменяется. При возведении же неравенства в четную степень образуется неравенство с положительными членами, и его смысл будет зависеть от абсолютных величин членов исходного неравенства может получиться неравенство того же смысла, что и исходное, неравенство противоположного смысла и даже равенство!

Все сказанное о возведении неравенств в степень полезно проверить на следующем примере.

Пример 1. Возвести в указанную степень следующие неравенства, изменив в случае необходимости знак неравенства на противоположный или на знак равенства.

а) 3 > 2 в степень 4; б) в степень 3;

в) в степень 3; г) в степень 2;

д) в степень 5; е) в степень 4;

ж) 2 > -3 в степень 2; з) в степень 2,

6. От неравенства можно перейти к неравенству между если члены неравенства оба положительны или оба отрицательны, то между их обратными величинами имеется неравенство противоположного смысла:

Доказательство. Если а и b — одного знака, то их произведение положительно. Разделим на неравенство

т. е. , что и требовалось получить.

Если члены неравенства имеют противоположные знаки, то неравенство между их обратными величинами имеет тот же смысл, так как знаки обратных величин те же, что и знаки самих величин.

Пример 2. Проверить последнее свойство 6 на следующих неравенствах:

7. Логарифмирование неравенств можно производить лишь в случае, когда члены неравенств положительны (отрицательные числа и нуль логарифмов не имеют).

Пусть . Тогда при будет

а при будет

Правильность этих утверждений основана на монотонности логарифмической функции, которая возрастает, если основание и убывает при

Итак, при логарифмировании неравенства, состоящего из положительных членов, по основанию, большему единицы, образуется неравенство того же смысла, что и данное, а при логарифмировании его по положительному основанию, меньшему единицы, — неравенство противоположного смысла.

8. Если , то если , но , то .

Это сразу следует из свойств монотонности показательной функции (п. 42), которая возрастает в случае и убывает, если

При почленном сложении неравенств одного и того же смысла образуется неравенство того же смысла, что и данные.

Доказательство. Докажем это утверждение для двух неравенств, хотя оно верно для любого количества складываемых неравенств. Пусть даны неравенства

По определению числа будут положительными; тогда положительной оказывается и их сумма, т. е.

Группируя иначе слагаемые, получим

и, следовательно,

а это и надо было доказать.

Нельзя сказать Ничего определенного в общем случае о смысле неравенства, получающегося при сложении двух или нескольких неравенств разного смысла.

10. Если из одного неравенства почленно вычесть другое неравенство противоположного смысла, то образуется неравенство того же смысла, что и первое.

Доказательство. Пусть даны два неравенства разного смысла. Второе из них по свойству необратимости можно переписать так: d > с. Сложим теперь два неравенства одинакового смысла и получим неравенство

того же смысла. Из последнего находим

а это и надо было доказать.

Нельзя сказать ничего определенного в общем случае о смысле неравенства, получающегося при вычитании из одного неравенства другого неравенства того же смысла.

11. Если почленно перемножить два неравенства одинакового смысла с положительными членами, то образуется неравенство того же смысла.

Доказательство. Пусть причем Находим, умножая первое неравенство на с, а второе на b:

откуда в силу транзитивности

Отсюда снова вытекает правило о возведении неравенства с положительными членами в натуральную степень.

2. Для любого числа а имеет место неравенство

Доказательство. Если , то справедливо равенство . Если , то и имеется строгое неравенство . В обоих случаях можно писать что и требовалось получить.

13. Модуль суммы не превосходит суммы модулей:

Доказательство. Модуль суммы равен либо По свойству 12 имеем

и, складывая эти неравенства почленно (по свойству 9), найдем

Точно так же и

Из неравенств (74.2) и (74.3) видно, что

В действительности нетрудно выяснить, когда имеет место знак равенства и когда знак строгого неравенства: если а и 6 одного знака, если а и b противоположных знаков.

Например, в то же время . Свойство 13 верно и для любого числа слагаемых. Более того, оно обобщается и на комплексные числа (речь идет, конечно, о неравенствах между модулями комплексных чисел, которые являются действительными числами). Именно, если то (рекомендуем возвратиться к рис. 9, где сумма комплексных чисел изображена геометрически, и истолковать написанное выше неравенство геометрически).

14. Разность модулей не больше модуля разности:

Доказательство. Запишем очевидное равенство

и применим свойство 13:

Получим или

Неравенство (74.4) допускает следующее усиление:

и остается верным и в применении к комплексным числам (доказать самостоятельно).