ここで行き詰まった? AI で解決しよう
Algebra · real student question

a, b を正の実数とし、m = a^3 + b^3、n = a^2b + ab^2 とする。m と n の大小を比較せよ。

Question

aa、bb を正の実数とし

m=a3+b3,n=a2b+ab2m=a^3+b^3,\qquad n=a^2b+ab^2

とおく。mm と nn の大小を比較せよ。

Step-by-step solution

  1. 割るのではなく引いて比べる。 2 つの式を比べるときの確実な手は m−nm-n の符号を調べることである。m−n>0m-n>0 なら m>nm>n、m−n=0m-n=0 なら等しく、m−n<0m-n<0 なら m<nm<n である。ここでは a,b>0a,b>0 なので割り算でもよいが、引き算のほうが全体が多項式のままで因数分解しやすい。

  2. 差をつくり、2 項ずつ組にする。

    m−n=a3+b3−a2b−ab2m-n=a^3+b^3-a^2b-ab^2

    三乗の項を、同じ文字を共有する混合項と組にする:

    m−n=(a3−a2b)+(b3−ab2)=a2(a−b)+b2(b−a)m-n=(a^3-a^2b)+(b^3-ab^2)=a^2(a-b)+b^2(b-a)

  3. 共通因子 (a−b)(a-b) をくくり出す。 b−a=−(a−b)b-a=-(a-b) なので

    m−n=a2(a−b)−b2(a−b)=(a−b)(a2−b2)m-n=a^2(a-b)-b^2(a-b)=(a-b)(a^2-b^2)

    さらに a2−b2=(a−b)(a+b)a^2-b^2=(a-b)(a+b) だから

    m−n=(a+b)(a−b)2\boxed{m-n=(a+b)(a-b)^2}

    この因数分解された形が解答の核心である。大小比較が符号の観察に変わる。

  4. 符号を読み取る。 a>0a>0 かつ b>0b>0 より a+b>0a+b>0、また任意の実数について (a−b)2≥0(a-b)^2\ge 0 である。正の数と非負の数の積は非負なので

    m−n≥0⟹m≥nm-n\ge 0\qquad\Longrightarrow\qquad m\ge n

  5. 等号成立の条件を突き止める。 積 (a+b)(a−b)2(a+b)(a-b)^2 が 00 になるのは、どちらかの因子が 00 のときだけである。a+b>0a+b>0 なので、等号は (a−b)2=0(a-b)^2=0、すなわち a=ba=b を強いる。したがって

    a≠b のとき a3+b3>a2b+ab2,a=b のとき a3+b3=a2b+ab2a\neq b\ \text{のとき}\ a^3+b^3>a^2b+ab^2,\qquad a=b\ \text{のとき}\ a^3+b^3=a^2b+ab^2

  6. 数値で確かめる。 a=3,b=1a=3,b=1 とすると m=27+1=28m=27+1=28、n=9+3=12n=9+3=12 で、実際 (a+b)(a−b)2=4⋅4=16=28−12(a+b)(a-b)^2=4\cdot 4=16=28-12 となる。a=b=2a=b=2 なら m=16m=16、n=16n=16 で予想どおり等しい。同じ恒等式から、正の a,ba,b に対して a3+b3≥ab(a+b)a^3+b^3\ge ab(a+b) という並べ替え不等式でおなじみの事実も示せる。

Answer

m ≥ n, なぜなら m−n=(a+b)(a−b)2≥0。等号成立は a=bm\ \ge\ n,\ \text{なぜなら } m-n=(a+b)(a-b)^2\ge 0\text{。等号成立は } a=b

Need to solve a different problem like this? Open the solver →