Algebra · real student question

设 a 和 b 为正实数,m = a^3 + b^3,n = a^2b + ab^2,比较 m 与 n 的大小。

Question

aabb 为正实数,记

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

比较 mmnn 的大小。

Step-by-step solution

  1. 用作差法比较,而不是作商。 比较两个式子的大小,可靠的做法是研究 mnm-n 的符号:若 mn>0m-n>0m>nm>n,若 mn=0m-n=0 则两者相等,若 mn<0m-n<0m<nm<n。这里因为 a,b>0a,b>0,作商法也能用,但作差能让式子始终保持多项式形式,便于因式分解。

  2. 作差并两两分组。

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

    把立方项与含同一字母的交叉项配成一组:

    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. 提取公因式 (ab)(a-b) 由于 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)

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

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

    这个分解形式就是整道题的解法核心:它把大小比较变成了看符号。

  4. 直接读出符号。 因为 a>0a>0b>0b>0,所以 a+b>0a+b>0;而对任意实数都有 (ab)20(a-b)^2\ge 0。正数乘非负数仍是非负数,于是

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

  5. 确定取等号的条件。 乘积 (a+b)(ab)2(a+b)(a-b)^2 为零,只可能是某个因式为零。由于 a+b>0a+b>0,取等号就要求 (ab)2=0(a-b)^2=0,即 a=ba=b。所以

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

  6. 代数字检验。a=3,b=1a=3,b=1m=27+1=28m=27+1=28n=9+3=12n=9+3=12,确实有 (a+b)(ab)2=44=16=2812(a+b)(a-b)^2=4\cdot 4=16=28-12。再取 a=b=2a=b=2m=16m=16n=16n=16,正如预料的那样相等。同一个恒等式还顺带证明了那个常见结论:对正数 a,ba,ba3+b3ab(a+b)a^3+b^3\ge ab(a+b)

Answer

m  n, 因为 mn=(a+b)(ab)20, 等号成立当且仅当 a=bm\ \ge\ n,\ \text{因为 } m-n=(a+b)(a-b)^2\ge 0,\ \text{等号成立当且仅当 } a=b

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