每日一题[315]糖水不等式

 $b$克糖水中含有$a$克糖,糖的质量与糖水的质量比为$\dfrac ab$,这个质量比决定了糖水的甜度.如果再添加$m$克糖,生活经验告诉我们糖水会变甜,对应的不等式为$$\dfrac {a+m}{b+m}>\dfrac ab,$$称为糖水不等式,其中$b>a>0,m>0$.这个不等式作差很容易证明,在这里略去.利用糖水不等式可以证明高中的一类形如$$\prod_{i=1}^{n}a_i>f(n)$$的不等式问题.

求证:$\left(1-\dfrac 12\right )\left(1-\dfrac 14\right )\left(1-\dfrac 16\right )\cdots\left(1-\dfrac {1}{2n}\right )<\sqrt{\dfrac {1}{2n+1}}$.


证明 记不等式左边为$I_n$,有$$I_n=\dfrac 12\cdot\dfrac 34\cdot \dfrac 56\cdots\dfrac{2n-1}{2n},$$由糖水不等式知$$\dfrac {k}{k+1}<\dfrac {k+1}{k+2},k=1,2,\cdots,2n-1.$$于是有$$I_n<\dfrac 23\cdot\dfrac 45\cdot \dfrac 67\cdots\dfrac{2n}{2n+1}.$$上式两边同乘$I_n$得$$\begin{split} I_n^2&<\left(\dfrac 12\cdot\dfrac 34\cdot\dfrac 56\cdots\dfrac{2n-1}{2n}\right )\cdot\left(\dfrac 23\cdot \dfrac 45\cdot \dfrac 67\cdots\dfrac{2n}{2n+1}\right )\\&=\dfrac {1}{2n+1}.\end{split} $$不等式得证.

 本题为2009年广东高考数学理科第21题中的一问.


糖水不等式在概率中也有直观的体现,比如下面的问题:

一只口袋里装有$3$个红球和$7$个白球.

(1)从口袋里任意摸出一个球,恰是红球的概率是多少?

(2)再向口袋里放入两个红球,则从口袋里任意摸出一个球,恰好是红球的概率是变大还是变小,说明理由.

第(1)问摸出红球的概率$P_1=\dfrac {3}{10}$;

第(2)问摸出红球的概率$$P_2=\dfrac {5}{12}=\dfrac {3+2}{10+2}>\dfrac {3}{10}.$$说明加入两个红球后概率增大了.我们将袋子里的球看成糖水,红球相当于糖,这个结论就体现了糖水不等式.

对糖水不等式作进一步的思考:

(3)如果向口袋中加入的是一个红球和一个白球,那么取出红球的概率有什么样的变化?

(4)如果加入的是一个红球和两个白球,取出红球的概率又如何变化呢?

这两个问题相当于将一种新的糖水,而不是纯糖加入原来的糖水中,问原来的糖水是变甜还是变淡.从生活角度理解,如果加入的糖水浓度比原来的糖水浓度大,则加入后糖水变甜;反之,加入后糖水变淡.在上面的问题中,原来“糖水”(即红球)的浓度为$\dfrac {3}{10}$,第(3)问加入的“糖水”浓度为$\dfrac 12$,由$$\dfrac {1}{2}>\dfrac {3}{10}$$知取出红球的概率增大; 第(4)问中,加入的“糖水”浓度为$\dfrac 13$,因为$$\dfrac {1}{3}>\dfrac {3}{10},$$所以取出红球的概率也增加了.

一般地,我们可以得到拓展的糖水不等式: 若$b>a>0,n>0,m>0$,则当$$\dfrac nm>\dfrac ab$$时,有$$\dfrac {a+n}{b+m}>\dfrac  ab,$$反之,当$$\dfrac nm<\dfrac ab$$时,有$$\dfrac {a+n}{b+m}<\dfrac  ab.$$ 最后给出一道练习.


求证:$\left(1+1\right )\left(1+\dfrac 14\right )\left(1+\dfrac 17\right )\cdots\left(1+\dfrac {1}{3n-2}\right )>\sqrt[3]{3n+1}$.

提示 运用两次糖水不等式即可.

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