こばのページ/東大入試数学過去問解答例/コラム/等号条件って書く必要あるの?

まとめ

単に不等式の証明をするだけなら不要。($1+t\le e^t$ など)

最大値・最小値を求める場合は必要なこともあるかもね。

不等式の証明

例えば、「 $x, y \gt 0$ のとき $(x + y)\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right) \ge 8$ を示せ。」という問題があったとき、以下の解法は妥当である。

$x,y,\dfrac{1}{x}, \dfrac{4}{y}$ はすべて正であるから、相加・相乗平均の関係より、

\[\dfrac{x + y}{2} \ge \sqrt{xy}, \dfrac{1}{2}\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right) \ge \sqrt{\dfrac{1}{x} \cdot \dfrac{4}{y}} = \dfrac{2}{\sqrt{xy}}\]

これから、

\[x + y \ge 2\sqrt{xy}, \dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y} \ge \dfrac{4}{\sqrt{xy}}\]

がいえるので、両方とも両辺が正であることに注意すると、左辺同士と右辺同士を掛けて

\[(x + y)\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right) \ge 8\]

を得る。 Qed.

これの「等号成立条件」を考えると、 $x = y \land \dfrac{1}{x} = \dfrac{4}{y}$ だが、そのような $x,y$ は存在しない。それにもかかわらず、普通の数学においてはこの不等式は正しいとみなされる。

数学というのはそういうルールなのでそれに順応するしかない。仮に $\ge 8$ というのが「8 という値を取り得る必要がある」という意味だったら、数学はもっと複雑怪奇になってしまい手に負えなくなる。

最大・最小の証明

ここで、最大値・最小値の定義を振り返ろう。集合 $S$ の最小値が $x$ であるというのは、以下の 2 つを同時に満たすことだ。

上の例において、「$x, y \gt 0$ のとき $(x + y)\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right)$ の最小値を求めよ」という問題だったならば、仮に最小値が 8 であることを証明するのであれば示すべきことは 2 つある。

$S$ を、$(x + y)\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right)$ が取り得る値の集合としよう。これは $S = \lbrace k \mid \exists x \gt 0. \exists y \gt 0 . k = (x + y)\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right) \rbrace$ というふうに書ける。

2番目は上で示したことだが、1番目は成り立たない。よって最小値は8ではない。

$(x + y)\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right) \ge 8$ (真) と、「$(x + y)\left(\dfrac{1}{x} + \dfrac{4}{y}\right)$ の最小値は 8 である」 (偽) の区別をすることは、数学の理解・不等式の理解において極めて重要だ。

参考資料

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