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内斯比特 - 夏皮罗(NESBIT-SHAPIRO) 不等式简史

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发表于 2021-2-22 21:17 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 天山草@ 于 2021-2-22 21:22 编辑

1905 年,一位名叫内斯比特的英国数学家提出了下面这个不等式:
当  \(a, b, c > 0\)  时,有\(  \frac{a}{b+c} +\frac{b}{c+a}+\frac{c}{a+b}≥\frac{3}{2}\)。
上面这个内斯比特不等式的证明并不难; 但如果推广到 \( n\) 个正实数,这个推广的不等式就不容易证明了。

半个世纪后的 1954  年,数学家夏皮罗提出了这个不等式的一般形式:
给定 \(n≥3\) 个正实数   \(\ a_1,a_2, \cdots,a_n> 0\) ,确定下面这个不等式是否成立 :
\(\frac{a_1}{a_2+a_3}+\frac{a_2}{a_3+a_4}+ \cdots+\frac{a_n-1}{a_n+a_1}+\frac{a_n}{a_1+a_2} ≥\frac{n}{2}----(1) \)  

许多数学家研究过这个问题,取得了满意的成果。但至今还有一个问题,即不等式右边的最佳估计值是多少还没有完全解决。

1958 年,内斯比特的一个名叫 Moocden 的学生确定了\( n = 4, 5, 6\) 时 (1) 成立。
1963 年, Diananda  证明了 : 如果(1) 对某个奇数 \( n=n_0\)  是错的,那么它对所有\(n≥n_0\) 也是错的;
如果(1) 对某个偶数 \(n=n_0\) 是对的,那么它对所有 \(n≤n_0\) 也是对的。这个结论叫做 Diananda 定理。
Diananda 还证明了当 \(n=27\) 时 (1) 是错的,这意味着 (1) 对于所有奇数\( n≥27\) 都是错的。
之后,Djokovic  证明了 (1) 对于 \(n = 8\) 是对的,Bajsanski 证明了(1) 对于\( n=7\) 是对的。
1968 年,Nowosad根据 Diananda 定理证明了(1) 对 \(n = 10\) 正确,因此(1) 对\( n=9\) 也正确。
1971 年,Kristiansen 证明了(1) 对于 \(n = 11, 12\) 是对的。Daykin 和 malcolm 证明了(1) 在 \(n=25\) 时是错的。
1976 年,Godunova 和 Leni 再次证明了(1) 对于\( n=12\) 是对的; Bushell  还给出了另一个反例来说明
\(n=25\) 时 (1) 是错的。Bushell 和 Craven 证明了(1) 对于所有奇数 \(n≤23\) 是对的。
1979 年,Troesch 和 Searcy 证明了一个令人印象深刻的结果,即 (1) 对于所有偶数 \(n ≥14\) 都是错的。他还利用计算机指出(1) 对于所有偶数 \(n≤12 \)和奇数\( n≤23\) 都是正确的,但是这并不算是数学证明。
1985 年,Troesch 在 《数学计算杂志》 上发表了他对\(n=13\) 的数学证明; 在1989年,他继续证明了\(n=23\) 时(1) 正确。这表明,夏皮罗在提出他的问题近 40 年后 Troesch 是一个在漫长的历史时期中得出最终结论的人 :
  不等式 (1) 对所有\(n≤ 12\) 的偶数都对,对\(n≥14\) 的所有偶数都错。
     不等式 (1) 对所有\( n≤23\)  的奇数都对,对所有 \(n≥24\) 的无论奇数或偶数都错。
也就是说:
     当 \(n = 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13 , 15, 17, 19, 21,
23\) 时 (1) 成立,
     当 \(n = 14, 16, 18, 20, 22, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30,\cdots \) 时 (1) 不成立。
     对于不等式 (1) 还有另外一个问题,那就是 (1) 的最小值最佳估计是多少。
1969 年,一位名叫 Drinfeljd 的俄罗斯 11 年级学生用高等数学方法得出了如下令人印象深刻的结果 :
当 \(\ a_1,a_2, \cdots,a_n> 0\) 时 \(\frac{a_1}{a_2+a_3}+\frac{a_2}{a_3+a_4}+ \cdots+\frac{a_n-1}{a_n+a_1}+\frac{a_n}{a_1+a_2} > 0.989133×\frac{n}{2} \)  
也许是由于这个结果,他在1990年获得了一个数学奖。
下面我们用初等数学方法证明不等式 (1) 右边的最佳估计为:
对于 \(n≥3\) 当 \(\ a_1,a_2, \cdots,a_n> 0\) 时\(\frac{a_1}{a_2+a_3}+\frac{a_2}{a_3+a_4}+ \cdots+\frac{a_n-1}{a_n+a_1}+\frac{a_n}{a_1+a_2} > 0.4577996 n \)  
   以下略。

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