0≦a<π/2, 0≦b<π/2のとき,
tan (a+b)/2≦\(\frac{1}{2}\)(tan a+tan b)が成立することを
証明せよ。
図を使わず、計算で証明したいのですが、良きアドバイスを
下さい。宜しくお願いします。
★希望★完全解答★
0≦a<π/2, 0≦b<π/2のとき,
tan (a+b)/2≦\(\frac{1}{2}\)(tan a+tan b)が成立することを
証明せよ。
図を使わず、計算で証明したいのですが、良きアドバイスを
下さい。宜しくお願いします。
★希望★完全解答★
ええと、問題の書き方がはっきりしませんが、たぶん
tan {(a+b)/2}≦(tan a+tan b)/2
(0≦a,b<π/2)
を証明せよという問題ですよね。こうだと思って説明をします。
簡単に言うとこれは、y=tan(x)のグラフが
「下に凸」ということです。だから、うんと略解にすれば
「tan(x)の2階微分>0(0<x<π/2)で、
グラフは下に凸であるから成り立つ」
というのもありでしょう。
ていねいに書くと次のような回答もできます。
a=bだと題意の式の左辺と右辺は等しくなって、
題意の成立は自明です。a<bのときを考えます。
まず、点(a,tan(a))と(b,tan(b))を通る直線を考えて
f(x)を
f(x)=tan(a) + (x-a)(tan(b)-tan(a))/(b-a)と定義します。
次にF(x)を F(x)=tan(x)-f(x)と定義します。
F(a)=F(b)=0ですね。
さて、区間a≦x≦bでのFの挙動を考えます。
F'(x)=tan'(x)-(tan(b)-tan(a))/(b-a)です。
ここで、
「F'(x)の微分=tan(x)の2階微分>0(0<x<π/2)」
(計算は省略します。)ですから、
F'(x)は単調増加です。
さらに、平均値の定理より、a<c<bであるcに対して
tan'(c)=+(tan(b)-tan(a))/(b-a)となります。
つまり F'(c)=0です。
ということで結局、
F'(x)<0(0<x<c) F'(c)=0 F'(x)>0(c<x<b)となり
F(x)はa<x<cで減少、c<x<bで増加です。
これとF(a)=F(b)=0を考え合わせれば、
F(x)<0(a<x<b) がわかります。
そして、この特別な場合として
F((a+b/2))=tan {(a+b)/2}-(tan a+tan b)/2<0
つまり tan {(a+b)/2}<(tan a+tan b)/2 となります。