🔍 不等式证明的破题艺术：从柯西不等式到裂项相消
---### 📜 问题描述 题目 （2008年浙江大学自主招生试题） 已知 ( a > 0 ), ( b > 0 )，求证： [\frac{1}{a+b} + \frac{1}{a+2b} + \cdots + \frac{1}{a+nb} < \frac{n}{\sqrt{\left(a+\dfrac{1}{2}b\right)\left(a+\dfrac{2n+1}{2}b\right)}}.] ---### 💡 破题思路 这道题看似复杂，但核心是 两个关键破题点 ： ⚠️ 1. 结构联想 ：左侧是 ( n ) 个分式求和，右侧是含平方根的分式 → 暗示用 柯西不等式 💡 2. 分母规律 ：左侧分母 ( a+kb ) 是等差数列 → 右侧分母 "首尾中点" 与 "末项偏移" 的组合！> 为什么想到柯西？ > 柯西标准形式： \\left( \\sum \\frac{x_i\^2}{y_i} \\right) \\left( \\sum y_i \\right) \\geq \\left( \\sum x_i \\right)\^2 > 令 ( x_i=1 ) 即得左侧形式，完美匹配!---### 🔑 关键推导（核心步骤严格保留原文） #### ✅ 步骤1：柯西不等式起手式 [\begin{align*} &\left( \frac{1}{a+b} + \cdots + \frac{1}{a+nb} \right)^2 \ &\quad \leqslant n \sum_{k=1}^n \frac{1}{(a+kb)^2}. \end{align*} ] 逻辑 ：用 121^212 的 nnn 次求和构建不等式桥梁✨---#### ⚠️ 步骤2：神之一手------分母放缩 [\sum \frac{1}{(a+kb)^2} < \sum \frac{1}{\left(a + \frac{2k-1}{2}b\right)\left(a + \frac{2k+1}{2}b\right)}.] 💡 秘密武器： (a+kb)\^2 \> \\left(a + \\frac{2k-1}{2}b\\right)\\left(a + \\frac{2k+1}{2}b\\right) （均值不等式严格不等）---#### 🔍 步骤3：裂项相消大法 [\begin{align*} &\quad = \frac{1}{b} \sum_{k=1}^n \left( \frac{1}{a + \frac{2k-1}{2}b} - \frac{1}{a + \frac{2k+1}{2}b} \right)\ &\quad = \frac{1}{b} \left( \frac{1}{a + \frac{1}{2}b} - \cancelto{\textcolor{red}{\text{消失！}}}{} + \cdots - \frac{1}{a + \frac{2n+1}{2}b} \right) \end{align*} ] 原理 ：分式拆解 → 中间项连环抵消 👉 只留首尾！---#### 📐 步骤4：收官整合 [\begin{align*} \left( \sum \frac{1}{a+kb} \right)^2 &< \frac{n}{b} \left( \frac{1}{a + \frac{1}{2}b} - \frac{1}{a + \frac{2n+1}{2}b} \right) \ &= \frac{n^2}{\left(a + \frac{1}{2}b\right)\left(a + \frac{2n+1}{2}b\right)}. \end{align*} ] 开平方即证毕 💯---### 🧠 总结升华 #### 💎 不等式证明黄金法则 | 核心策略 | 适用场景 ||----------|----------|| 🔨柯西不等式 | 分式与平方和转换 || 📏均值不等式链 | 分母精度调整 || 🔭裂项相消法 | 等差数列分式求和 |🌟 经典结论 ：当左侧分母等差时，通过 12\frac{1}{2}21 偏移构造 1x(x+d)=1d(1x−1x+d)\frac{1}{x(x+d)} = \frac{1}{d}\left( \frac{1}{x} - \frac{1}{x+d} \right)x(x+d)1=d1(x1−x+d1) 裂项！> 课后挑战 ：当 n=1n=1n=1 时等号成立吗？🤔（提示：代入验证）---### 💬 互动时刻 > "如果分母是 a+k\^2 b 还能裂项吗？欢迎分享你的脑洞！💥"