Algebra · real student question

Пусть a и b — положительные действительные числа, m = a³ + b³ и n = a²b + ab². Сравните m и n.

Question

Пусть aa и bb — положительные действительные числа, и пусть

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

Сравните mm и nn.

Step-by-step solution

  1. Сравниваем через разность, а не через частное. Для двух выражений надёжный приём — исследовать знак разности mnm-n: если mn>0m-n>0, то m>nm>n; если mn=0m-n=0, они равны; если mn<0m-n<0, то m<nm<n. Деление здесь тоже сработало бы, поскольку a,b>0a,b>0, но вычитание оставляет всё многочленами, которые удобно раскладывать на множители.

  2. Составляем разность и группируем слагаемые попарно.

    mn=a3+b3a2bab2m-n=a^3+b^3-a^2b-ab^2

    Объединяем каждый куб с тем смешанным слагаемым, у которого та же переменная:

    mn=(a3a2b)+(b3ab2)=a2(ab)+b2(ba)m-n=(a^3-a^2b)+(b^3-ab^2)=a^2(a-b)+b^2(b-a)

  3. Выносим общий множитель (ab)(a-b). Так как ba=(ab)b-a=-(a-b),

    mn=a2(ab)b2(ab)=(ab)(a2b2)m-n=a^2(a-b)-b^2(a-b)=(a-b)(a^2-b^2)

    а a2b2=(ab)(a+b)a^2-b^2=(a-b)(a+b), поэтому

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

    Эта разложенная форма и есть всё решение: сравнение двух выражений превращается в проверку знака произведения.

  4. Считываем знак. При a>0a>0 и b>0b>0 имеем a+b>0a+b>0, а (ab)20(a-b)^2\ge 0 для любых действительных чисел. Произведение положительного числа на неотрицательное неотрицательно, поэтому

    mn0mnm-n\ge 0\qquad\Longrightarrow\qquad m\ge n

  5. Выясняем, когда достигается равенство. Произведение (a+b)(ab)2(a+b)(a-b)^2 обращается в нуль, только если нулю равен один из множителей. Поскольку a+b>0a+b>0, равенство вынуждает (ab)2=0(a-b)^2=0, то есть a=ba=b. Итак,

    a3+b3>a2b+ab2  при ab,a3+b3=a2b+ab2  при a=ba^3+b^3>a^2b+ab^2\ \text{ при } a\neq b,\qquad a^3+b^3=a^2b+ab^2\ \text{ при } a=b

  6. Проверяем на числах. Возьмём a=3,b=1a=3,b=1: тогда m=27+1=28m=27+1=28 и n=9+3=12n=9+3=12, и действительно (a+b)(ab)2=44=16=2812(a+b)(a-b)^2=4\cdot 4=16=28-12. Возьмём a=b=2a=b=2: m=16m=16 и n=16n=16 — равенство, как и предсказано. То же тождество доказывает известный факт, что a3+b3ab(a+b)a^3+b^3\ge ab(a+b) для положительных a,ba,b.

Answer

m  n, так как mn=(a+b)(ab)20, причём равенство достигается только при a=bm\ \ge\ n,\ \text{так как } m-n=(a+b)(a-b)^2\ge 0,\ \text{причём равенство достигается только при } a=b

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