[Nierówności] wykazanie nierówności

[marek12]

Dla kazdego \(\displaystyle{ 0\le x\le1}\) i \(\displaystyle{ n\in\mathbb{N}}\) pokaż że \(\displaystyle{ \Bigl(1-x+\frac{x^2}{2}\Bigr)^n-\Bigl(1-x\Bigr)^n\le\frac{x}{2}.}\)

[Fingon]

EDIT: rozwiązanie niepoprawne.

Ukryta treść:    

Nierówność jest prawdziwa dla \(\displaystyle{ x = 1 \vee 0}\), dlatego dalej będę zakłądał, że \(\displaystyle{ 0 < x < 1}\).
Zacznijmy od tego, że jeśli \(\displaystyle{ 0 < x < 1}\), to \(\displaystyle{ 0 < x^{n+1} < x^n}\), z czego wynika, że \(\displaystyle{ 0 < x^n < x}\) z czego będziemy korzystać do końca.
\(\displaystyle{ \left(1-x+\frac{x^2}{2}\right)^n-\left(1-x\right)^n\le\frac{x}{2}.}\)
Zwiększamy wartość lewej strony nierówności pozbywając się potęgi
\(\displaystyle{ \left(1-x+\frac{x^2}{2}\right)-\left(1-x\right)^n\le\frac{x}{2}.}\)
i przenosimy pierwszy nawias na drugą stronę nierówności
\(\displaystyle{ -\left(1-x\right)^n\le - \frac{x^2}{2} + \frac{3}{2}x - 1}\)
Zmniejszamy prawą stronę nierówności wstawiając \(\displaystyle{ \frac{3}{2}x^2}\), zamiast \(\displaystyle{ \frac{3}{2}x}\), w efekcie otrzymujemy
\(\displaystyle{ -\left(1-x\right)^n\le x^2 - 1}\)
Korzystając ze wzoru skróconego mnożenia
\(\displaystyle{ \left(1-x\right)^{n-1}\le x + 1}\) co oczywiście jest prawdą.

[tkrass]

Prawdą jak prawdą, znaki Ci się chyba nie zgadzają

[Fingon]

Konkretnie, w którym miejscu, bo nie widzę?

[tkrass]

Przejście między przedostatnią i ostatnią linijką.

[Fingon]

\(\displaystyle{ -\left(1-x\right)^n\le x^2 - 1}\)

\(\displaystyle{ -\left(1-x\right)^n\le (x - 1)(x+1)}\)

\(\displaystyle{ -(1-x)\left(1-x\right)^{n-1}\le (x - 1)(x+1)}\)

\(\displaystyle{ (x-1)\left(1-x\right)^{n-1}\le (x - 1)(x+1)}\)

\(\displaystyle{ \left(1-x\right)^{n-1}\le x + 1}\)

Ciągle nie widzę błędu.

[smigol]

a x-1 nie jest przypadkiem ujemne?

[Fingon]

Faktycznie, dzięki za wskazanie błędu.

[Premislav]

Ukryta treść:    

\(\displaystyle{ \Bigl(1-x+\frac{x^2}{2}\Bigr)^n-\Bigl(1-x\Bigr)^n\le\frac{x}{2}}\)
Podstawmy \(\displaystyle{ t=1-x}\), wówczas \(\displaystyle{ t\in[0,1]}\), zaś nierówność przyjmuje formę
\(\displaystyle{ \left( \frac 1 2+\frac 1 2t^2\right)^n -t^n \le \frac{1-t}{2}}\)
lub jak kto woli
\(\displaystyle{ (1+t^2)^n-(2t)^n\le 2^{n-1}(1-t)}\)
a jeszcze inaczej - wzór na różnicę n-tych potęg:
\(\displaystyle{ (1-t) \sum_{k=0}^{n-1}(1+t^2)^{n-1-k}(2t)^{k} \le 2^{n-1}}\)
(oczywiście dla \(\displaystyle{ t=1}\) nierówność działa, dla \(\displaystyle{ tin[0, 1)}\) można ją tak jak wyżej przedstawić)
ale to jest jakiś trywiał, gdyż dla \(\displaystyle{ t\in(0,1)}\) mamy
\(\displaystyle{ \frac{1}{1-t} \cdot 2^{n-1}= \sum_{k=0}^{ \infty }t^k 2^{n-1}\ge \sum_{k=0}^{n-1}t^k 2^{n-1}= \sum_{k=0}^{n-1} 2^{n-1-k} (2t)^k \ge \sum_{k=0}^{n-1}(1+t^2)^{n-1-k}(2t)^k}\)
bo \(\displaystyle{ 2\ge 1+t^2}\)…


To kończy dowód. Może da się też ze średnich, bo to co napisałem jest niestety mocno toporne.