📘 CodingMarble Learn

Disuguaglianza AM–GM

Per due numeri positivi a e b, la media aritmetica (a+b)/2 non è mai più piccola della media geometrica √(ab). Sono uguali solo quando a = b. Per questo, a somma fissata si ottiene il prodotto più grande, e a prodotto fissato la somma più piccola.

🎬 Storia passo dopo passo

  1. Ecco un rettangolo verde. I suoi lati sono a = 8 e b = 2. Sommali: a + b = 10. Moltiplicali: a × b = 16, che è l'area.
  2. Il quadrato blu usa la stessa lunghezza di recinzione (perimetro) del rettangolo. Il suo lato è la media (a + b) / 2 = 5. Questa media si chiama AM. La sua area è 25, più grande di 16.
  3. Il quadrato arancione ha la stessa area del rettangolo, 16. Il suo lato è √(a × b) = 4. Questo numero si chiama GM. Guarda: AM = 5 è maggiore di GM = 4.
  4. Fai scendere a da 8 a 5, tenendo a + b = 10. Il rettangolo diventa più tozzo e il quadrato arancione cresce. Quando a = b = 5, il rettangolo è un quadrato e AM = GM.
  5. Ora tieni fissa l'area a 16. Sposta a da 8 a 4. La AM scende da 5 a 4 e si ferma lì. A parità di area, il quadrato ha bisogno della recinzione più corta.
  6. Tocca a te. Trascina il cursore e passa tra 'somma fissa' e 'prodotto fisso'. Il quadrato blu non è mai più piccolo di quello arancione.

Suggerimento: trascina la scena 3D per ruotarla. Usa due dita per zoomare.

🤔 Dubbi comuni, chiariti

Che cosa sono a e b qui, e che cosa ci dice a + b?

Sono i due lati del rettangolo. Metà della recinzione è a + b, e l'area è a × b. Guarda i valori sotto il 3D.

Perché la AM è il lato del quadrato con lo stesso perimetro?

Un quadrato con la stessa recinzione ha quattro lati uguali, ciascuno (a + b)/2, perché il perimetro è 2(a + b). Quindi il suo lato è la media.

Perché la GM è il lato del quadrato con la stessa area?

Un quadrato di lato g ha area g². Per avere l'area ab serve g = √(ab).

Quando esattamente la AM è uguale alla GM?

Solo quando a = b. Porta a a 5 e guarda il rettangolo diventare un quadrato e i quadrati arancione e blu diventare uguali.

Come mai questo dà un minimo e non un massimo?

Se l'area è fissa, la GM è fissa e la AM è almeno uguale ad essa. Quindi la somma a + b è minima quando a = b.

Posso usarla con 0 o numeri negativi?

No. Il cursore permette solo valori positivi perché la regola è dimostrata solo per a e b positivi.

AM e GM: due modi di fare la media

Prendi due numeri positivi a e b.

La media aritmetica (AM) è la media di sempre: (a + b) / 2. È il punto a metà strada tra a e b sulla retta dei numeri.

La media geometrica (GM) è √(ab). È il lato di un quadrato che ha la stessa area del rettangolo a × b.

Esempio: per 4 e 16, AM = (4 + 16)/2 = 10 e GM = √64 = 8.

La disuguaglianza AM–GM e la sua dimostrazione

Enunciato: per ogni a e b positivi, (a + b)/2 ≥ √(ab). I due membri sono uguali solo quando a = b.

Dimostrazione, passo dopo passo. Il quadrato di un numero reale non è mai negativo. Quindi (√a − √b)² ≥ 0.

Sviluppa la parentesi: a − 2√(ab) + b ≥ 0.

Porta il termine centrale dall'altra parte: a + b ≥ 2√(ab).

Dividi per 2: (a + b)/2 ≥ √(ab). Fatto. Il quadrato è zero solo se √a = √b, cioè a = b.

Perché servono numeri positivi: √a e √b devono esistere. Se a e b sono negativi, la disuguaglianza può non valere (per −2 e −8, la AM è −5 ma la GM è 4).

Guardalo in 3D: rettangolo e quadrati

Nella scena 3D il quadrato blu ha lo stesso perimetro del rettangolo, quindi il suo lato è la AM. Il quadrato arancione ha la stessa area del rettangolo, quindi il suo lato è la GM. Il quadrato blu ha sempre almeno l'area del rettangolo: ((a+b)/2)² ≥ ab. È la stessa disuguaglianza, disegnata. La differenza tra le due aree è ((a − b)/2)². Diventa zero solo quando a = b.

Problemi di massimo e minimo

Regola 1 (somma fissa, prodotto massimo): se a + b = S, allora ab ≤ (S/2)². Il prodotto massimo è (S/2)² e si ottiene per a = b = S/2.

Regola 2 (prodotto fisso, somma minima): se ab = P, allora a + b ≥ 2√P. La somma minima è 2√P e si ottiene per a = b = √P.

Forme utili: x + 1/x ≥ 2 per x > 0 (uguaglianza per x = 1). Inoltre a/b + b/a ≥ 2 per a, b positivi. E a² + b² ≥ 2ab per ogni a, b reali.

Come risolvere (3 controlli): (1) Tutti i termini sono positivi? (2) Il prodotto (o la somma) è una costante, senza x? (3) I termini possono diventare uguali? Se sì, la risposta si raggiunge quando sono uguali. Esempio: x + 9/x. Il prodotto x · 9/x = 9 è costante, quindi x + 9/x ≥ 2√9 = 6, con uguaglianza quando x = 9/x, cioè x = 3.

Più numeri: per n numeri positivi, la AM resta ≥ la GM, con uguaglianza solo quando tutti i numeri sono uguali.

Provalo a casa

Prendi uno spago di 24 cm. Con esso fai un rettangolo: prima 10 × 2, poi 8 × 4, poi 6 × 6. Disegna ognuno su carta quadrettata e conta i quadretti dentro: 20, 32, 36. Prima prevedi, poi conta. Vince il quadrato. Nel 3D, scegli 'somma fissa' e trascina a fino a 5 per vedere la stessa cosa.

Formule e definizioni chiave

Esempi svolti

1. Trova la AM e la GM di 4 e 16. Verifica che AM ≥ GM.

AM = (4 + 16)/2 = 10. GM = √(4 × 16) = √64 = 8. Poiché 10 ≥ 8, vale AM ≥ GM. Non sono uguali perché 4 ≠ 16.

2. Due numeri positivi hanno somma 14. Qual è il prodotto più grande possibile?

La somma S = 14 è fissa. Il prodotto è massimo quando i due numeri sono uguali: 7 e 7. Prodotto massimo = 7 × 7 = 49. Controllo: 6 × 8 = 48 è più piccolo.

3. Un contadino ha 60 m di recinzione per un campo rettangolare. Trova l'area massima.

Due lati a e b usano metà della recinzione: a + b = 30. Il prodotto ab è massimo quando a = b = 15. Area massima = 15 × 15 = 225 m².

4. Trova il valore minimo di x + 16/x per x > 0.

Entrambi i termini sono positivi. Il loro prodotto x · 16/x = 16 è costante. Quindi x + 16/x ≥ 2√16 = 8. Uguaglianza quando x = 16/x, cioè x² = 16 e x = 4. Minimo = 8 per x = 4.

5. Dimostra che a² + b² ≥ 2ab per ogni a e b reali.

(a − b)² ≥ 0 perché un quadrato non è mai negativo. Sviluppa: a² − 2ab + b² ≥ 0. Porta 2ab a destra: a² + b² ≥ 2ab. Uguaglianza solo quando a = b.

6. Trova il valore minimo di 2x + 8/x per x > 0 e il valore di x in cui si ottiene.

Il prodotto dei due termini è 2x · 8/x = 16, una costante. Quindi 2x + 8/x ≥ 2√16 = 8. Uguaglianza quando 2x = 8/x, cioè x² = 4 e x = 2. Minimo = 8 per x = 2.

7. Per 0 < x < 6, trova il valore massimo di x(6 − x).

I due numeri x e 6 − x sono positivi e hanno somma 6, una costante. Quindi il prodotto è massimo quando x = 6 − x, cioè x = 3. Il valore massimo è 3 × 3 = 9.

Errori comuni

Quiz di allenamento

1. La media geometrica di 4 e 9 è:
2. AM = GM succede quando:
3. Se a + b = 20 (a, b > 0), il valore massimo di ab è:
4. Il valore minimo di x + 1/x per x > 0 è:
5. Quale è sempre vera per a e b positivi?

Esercizi: rispondi da solo

Scrivi o scegli la risposta, poi premi Controlla. Usa un suggerimento se sei bloccato; la soluzione completa appare dopo la tua risposta.

Domande frequenti

Che cos'è la disuguaglianza AM–GM in parole semplici?

La media normale di due numeri positivi è almeno grande quanto la loro media geometrica, cioè la radice quadrata del loro prodotto. Coincidono solo se i due numeri sono uguali.

Perché AM–GM richiede numeri positivi?

Perché la media geometrica usa la radice quadrata del prodotto e la dimostrazione usa √a e √b. Con numeri negativi l'enunciato può non valere.

Dove si usa AM–GM?

Per trovare l'area massima con una recinzione data, la scatola più economica con un volume dato, e il minimo di espressioni come x + k/x. Compare nella matematica scolastica, nei test d'ingresso e nei problemi delle Olimpiadi.

Dove si studia

China高一Ch.2 Quadratic functions, equations, inequalities

Da studiare prima

Da studiare dopo

Lezioni correlate

Tutte le lezioni di Maths