§12. Числовые неравенства

Числовое неравенство — это математическое высказывание вида \( a \gt b, \;\; a \lt b \) (строгие неравенства),
или \( a \geq b, \;\; a \leq b \) (нестрогие неравенства).

Геометрический смысл понятий «больше» и «меньше» был объяснён в теме числовая прямая .

Аналитически числа сравниваются по следующему определению:

Число a больше числа b, если разность \( a - b \) положительна;
число a меньше числа b, если разность \( a - b \) отрицательна, т.е. $$ a - b \;\; \begin{cases} \gt0, \; если \; a \gt b \\ =0, \; если \; a = b \\ \lt 0, \; если \; a \lt b \end{cases} $$

Свойства числовых неравенств

  1. Если \( a \gt b \), то \( b \lt a \):
    Если \(a \gt b\), то \(a - b \gt 0\), значит \(b - a \lt 0\), т.е. \(b \lt a\).
    Если \(a \lt b\), то \(a - b \lt 0\), значит \(b - a \gt 0\), т.е. \(b \gt a\).

  2. Если \(a \gt b\), \(b \gt c\), то \(a \gt c\):
    Рассмотрим разность \( a - c \) и представим её следущим образом:
    \(a - c = (a - b) + (b - c) \gt 0\), т.к. разность каждой из скобок положительна.
    Т.о. \(a - c \gt 0\) и \(a \gt c\).

  3. Если \(a \gt b\), и c — любое число, то \(a + c \gt b + c\),
    т.е. если к обеим частям верного нераравенства прибавить одно и то же число, то получится верное неравенство.

    Т.к. \(a \gt b\), то \(a - b \gt 0\). Представим \( a - b \) следующим образом:
    \(a - b = (a + c) - (b + c)\), т.е. разность \( (a + c) - (b + c) \) является положительной,
    следовательно, \((a + c) \gt (b + c)\).

  4. Если \(a \gt b\), и c — положительное число, то \(ac \gt bc\).
    Другими словами: если обе части верного неравенства умножить на одно и то же положительное число, то получится верное неравенство.
    Если обе части верного неравенства умножить на одно и то же отрицательное число и при этом сменить знак неравенства на противоположный, то получится верное неравенство.

    Замечание: т.к. разделить число — это все равно, что умножить на число ему обратное, то эти свойства имеют место и при делении на с.
    Т.к. \(a \gt b\), значит \(a - b \gt 0\).
    Т.к. \(c \gt 0\), то разность \((a - b)c = ac - bc\) положительна,
    что означает, что \(ac - bc \gt 0\), т.е. \(ac \gt bc\).
    Если же \(c \lt 0\), то разность \((a - b)c = ac - bc\) отрицательна, т.е. \(ac \lt bc\).

  5. Если a и b — положительные числа и \(a \gt b\), то \(\frac{1}{a} \lt \frac{1}{b}\).

    Разделим обе части неравенства \(a \gt b\) на \( ab \) и получим:
    \(\frac{a}{ab} \gt \frac{b}{ab}\) откуда после сокращения получаем:
    \(\frac{1}{b} \gt \frac{1}{a}\) или \(\frac{1}{a} \lt \frac{1}{b}\).

  6. Если \(a \gt b\) и \(c \gt k\), то \(a + c \gt b + k\) .
    Т.е. неравенства одного знака (одинакового смысла) можно почленно складывать, получая при этом верное неравенство.

    Рассмотрим разность \( (a + c) - (b + k) \) и преобразуем её следующим образом:
    \((a + c) - (b + k) = (a - b) + (c - k)\);
    т.к. по условию \(a \gt b\) и \(c \gt k\), то сумма \( (a - b) + (c - k) \) положительна,
    а значит, и \( (a + c) - (b + k) \) положительна, что означает \(a + c \gt b + k\).

  7. Если \(a \gt b\) и \(c \gt k\), где \( a, b, c, k \) — положительные числа, то \(ac \gt bk\) .
    Т.е. верные неравенства одинакового смысла с положительными членами можно почленно перемножить, получая при этом верное неравенство.

    Преобразуем следующим образом выражение:
    \(ac - bk = ac - bc + bc - bk = (a - b)c + (c - k)b\) — положительно,
    т.к. все сомножители последней суммы положительны.
    Значит и \(ac - bk \gt 0\), что означает \(ac \gt bk\).

  8. Следствие: если \(a \gt b\) и n — натуральное число, то \(a^n \gt b^n\).
    Т.е. если обе части верного неравенства с положительными членами возвести в одну и ту же степень, то получится верное неравенство.