由扇形制成多個(gè)圓錐的體積之和
——Jensen不等式的一個(gè)幾何應(yīng)用

深圳市龍華區(qū)教育科學(xué)研究院附屬外國(guó)語學(xué)校(518109) 鐘文體

取一個(gè)圓,剪出兩個(gè)扇形,再圍成兩個(gè)圓錐.如何剪能使兩個(gè)圓錐的體積之和最大? 文[1]提出并解決了這個(gè)問題,其解答涉及一個(gè)三次方程的求解.文[1]的末尾還提出了這樣一個(gè)問題:對(duì)一般的扇形,如何分成兩個(gè)或多個(gè)扇形,使圍成的兩個(gè)或多個(gè)圓錐的體積之和最大? 本文使用Jensen 不等式部分地解決這個(gè)問題.

首先回顧凸函數(shù)的概念.

設(shè)f(x)是定義在區(qū)間I上的函數(shù),若對(duì)任意x1,x2∈I及任意λ ∈(0,1),有f(λx1+(1?λ)x2) ≤λf(x1)+(1?λ)f(x2),則稱f(x)為I上的凸函數(shù).若等號(hào)成立當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2,則稱為嚴(yán)格凸函數(shù).

關(guān)于凸函數(shù),有著名的Jensen 不等式.

Jensen 不等式設(shè)f(x) 是I上的凸函數(shù),若xi ∈ I,qi >0(i= 1,2,··· ,n) 且= 1,則f(q1x1+q2x2+···+qnxn)≤q1f(x1)+q2f(x2)+···+qnf(xn).若f(x) 為嚴(yán)格凸函數(shù),則等號(hào)成立當(dāng)且僅當(dāng)x1=x2=···=xn.下面的引理可以很方便地判斷給定函數(shù)是否為凸函數(shù).

引理設(shè)f(x)在區(qū)間I上有二階導(dǎo)數(shù),且對(duì)?x ∈I,有f′′(x) ≤0,則f(x)是I上的凸函數(shù).若不等號(hào)嚴(yán)格成立,則為嚴(yán)格凸函數(shù).有了這些準(zhǔn)備,我們可以證明下述結(jié)論.

命題設(shè)扇形的半徑為R,圓心角θ≤187.5°.將這個(gè)扇形分成n個(gè)小扇形,再圍成n個(gè)圓錐.則當(dāng)這n個(gè)小扇形的圓心角相等時(shí),所圍成n個(gè)圓錐的體積之和取最小值當(dāng)這n個(gè)小扇形中有一個(gè)的圓心角趨于θ,其余的圓心角趨于0 時(shí),所圍成n個(gè)圓錐的體積之和趨于.且不管怎么分,所圍成的圓錐體積之和都不超過

證明設(shè)小扇形的圓心角分別為αi(i= 1,2,··· ,n),所圍成的圓錐的底面半徑為ri,則α1+α2+···+αn=θ,Rαi= 2πri.故ri=圓錐的母線長(zhǎng)都為R,故高分別為hi=于是,圓錐的體積之和為

考慮函數(shù)f(x) =ai,則V=簡(jiǎn)單的計(jì)算得f′(x) =從而f′(x)>0?x ∈ f′′(x)>0?x ∈于是f(x)在上嚴(yán)格遞增,在上嚴(yán)格凸.

由條件可知ai∈故由Jensen 不等式,有等號(hào)成立當(dāng)且僅當(dāng)a1=a2=···=an,即當(dāng)且僅當(dāng)α1=α2=···=αn.從而

另一方面,設(shè)xi且x1+x2+···+xn≤我們證明f(x1)+f(x2)+···+f(xn) ≤f(x1+x2+···+xn),且等號(hào)成立當(dāng)且僅當(dāng)x1,x2,··· ,xn中有n ?1 個(gè)為零.用數(shù)學(xué)歸納法.設(shè)n= 2.當(dāng)x1,x2中有一個(gè)為零時(shí),結(jié)論顯然成立.不妨設(shè)0?=x1≤x2.考慮函數(shù)g(x) =f(x1+x)?f(x),x ∈

求導(dǎo)得g′(x) =f′(x1+x)?f′(x).因x,x1+x ∈由前面的論述可知f′(x) 在上嚴(yán)格遞增,故g′(x) =f′(x1+x)?f′(x)>0.

于是,g(x)在上嚴(yán)格遞增.從而g(x) ≤g(0),即f(x1+x) ≤f(x1)+f(x),且等號(hào)成立當(dāng)且僅當(dāng)x= 0.特別地,f(x1+x2)> f(x1)+f(x2).故n= 2時(shí),結(jié)論成立.

假設(shè)n=k時(shí),結(jié)論成立,即f(x1) +f(x2) +···+f(xk)≤f(x1+x2+···+xk).那么,n=k+1 時(shí),

根據(jù)歸納假設(shè),第一個(gè)等號(hào)成立的條件為x1,x2,··· ,xk中有k?1 個(gè)為零;第二個(gè)等號(hào)成立的條件為x1+x2+···+xk和xk+1中有一個(gè)為零.由此不難得到上述不等式中等號(hào)成立的條件為x1,x2,··· ,xk+1中有k個(gè)為零.從而結(jié)論成立.特別地,有

注1圓心角θ >時(shí)如何處理是個(gè)值得思考的問題,留給讀者作進(jìn)一步的思考.

注2可以證明n增大時(shí),最小值