次の問が分からないのでお願いします。
1.nを自然数とする時、次の不等式が成り立つことを証明せよ。
(1)1+\(\frac{1}{2}\)+\(\frac{1}{3}\)+\(\frac{1}{4}\)+・・・+\(\frac{1}{n}\)>2n/(n+1) (n≧2)
(2)n!>2^(n-1) (n≧3)
(3)(1+h\()^{n}\)>1+nh (h>0,n≧2)
★希望★完全解答★
次の問が分からないのでお願いします。
1.nを自然数とする時、次の不等式が成り立つことを証明せよ。
(1)1+\(\frac{1}{2}\)+\(\frac{1}{3}\)+\(\frac{1}{4}\)+・・・+\(\frac{1}{n}\)>2n/(n+1) (n≧2)
(2)n!>2^(n-1) (n≧3)
(3)(1+h\()^{n}\)>1+nh (h>0,n≧2)
★希望★完全解答★
基本的に数学的帰納法を用います。
1.(1)
<第1段>
1+\(\frac{1}{2}\) > 1+\(\frac{1}{3}\) = \(\frac{4}{3}\) = 2×2/(2+1) より,
n=2 のとき示すべき不等式が成り立つことがわかります。
<第2段>
2以上のある自然数 k に対し,
1+\(\frac{1}{2}\)+\(\frac{1}{3}\)+\(\frac{1}{4}\)+...+\(\frac{1}{k}\) > 2k/(k+1)
が成り立ったと仮定します。この両辺に 1/(k+1) を加えると,
1+\(\frac{1}{2}\)+\(\frac{1}{3}\)+\(\frac{1}{4}\)+...+\(\frac{1}{k}\)+1/(k+1) > (2k+1)/(k+1).
この右辺が 2(k+1)/(k+2) 以上であることを示せば,n=k+1 に対し
示すべき不等式が成り立つことになります。
それでは,
(2k+1)/(k+1)≧2(k+1)/(k+2)
であることを示しましょう。
(左辺)-(右辺)≧0 を証明します。通分して計算すると
(2k+1)/(k+1)-2(k+1)/(k+2) = {(2k+1)(k+2)-2(k+1\()^{2}\)}/(k+1)(k+2)
= k/(k+1)(k+2)>0.
これで,「ある k≧2 に対して不等式が成り立てば,必ず k+1 に対しても
不等式が成り立つ」ことが示されました。
初めに示したことにより,n=2 のとき不等式は成り立ちますから,今示した
ことから n=2+1=3 のときも成り立つことがわかります。
そうすると n=3+1=4 のときにも成り立ち,
このことからさらに n=4+1=5 のときも成り立つこともわかります。
このように考えると,2以上の全ての自然数 n に対して不等式が成り立つこと
がわかります。
これで証明できました。[証明終わり]
このような議論の仕方を,「数学的帰納法」といいます。
1.(2) n=3 のとき,3!=6 > 4=\(2^{2}\)=2^(3-1) なので,n=3 のとき示すべき不等式
は成立する。
次に,ある自然数 k≧3 に対し,n=k とした不等式 k! > 2^(k-1) が成り立つと
仮定する。
この両辺に k+1 をかけると,k+1≧4=\(2^{2}\) であるから,
(k+1)! = (k+1)×k! > (k+1)×2^(k-1) > \(2^{2}\)×2^(k-1)=2^(k+1)
> \(2^{k}\)=2^{(k+1)-1}.
よって,このとき n=k+1 とおいた不等式 (k+1)! > \(2^{k}\) も成り立つ。
したがって,
数学的帰納法により全ての自然数 n≧3 に対し示すべき不等式が成立する。
[証明終わり]
1.(3) 2項定理を知っていれば,n≧2 のとき
(1+h\()^{n}\) = 1+nh+...+\(h^{n}\)
であり,h>0 なので右辺の 1+nh より後の項はすべて正の数。ゆえに
1+nh+...+\(h^{n}\) > 1+nh.
これらより,(1+h\()^{n}\) > 1+nh が成り立つことが示されます。
もちろん数学的帰納法でも出来ます。
n=2 については,(1+h\()^{2}\) = 1+2h+\(h^{2}\) > 1+2h より,成り立つ。
n=k≧2 で成り立つと仮定すると,(1+h\()^{k}\) > 1+kh.
この両辺に 1+h をかければ
(1+h)^(k+1) > (1+h)(1+kh) = 1+(k+1)h+k\(h^{2}\).
k\(h^{2}\) > 0 であるから,
1+(k+1)h+k\(h^{2}\) > 1+(k+1)h.
よって,(1+h)^(k+1) > 1+(k+1)h,すなわち n=k+1 のときにも成り立つ。
ゆえに数学的帰納法により,
全ての自然数 n≧2 に対し示すべき不等式が成り立つことが証明された。
[証明終わり]