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关于△ABC中不等式cos(A+B) ≤ cosA + cosB的证明与证伪求助

关于△ABC中不等式$\cos(A+B) \leq \cos A + \cos B$的证明与证伪求助

嘿,我来帮你搞定这个卡壳的不等式问题!首先咱们先利用三角形内角和的性质简化问题——在△ABC里,$A+B+C=\pi$,所以$A+B=\pi-C$,原不等式$\cos(A+B) \leq \cos A + \cos B$直接等价于$\cos(\pi-C) \leq \cos A + \cos B$,也就是$-\cos C \leq \cos A + \cos B$,换个写法就是$\cos A + \cos B + \cos C \geq 0$。

接下来咱们一步步把这个式子推透:

  • 先用三角恒等变换处理$\cos A + \cos B$,用和差化积公式:$\cos A + \cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cos\left(\frac{A-B}{2}\right)$。因为$\frac{A+B}{2}=\frac{\pi-C}{2}=\frac{\pi}{2}-\frac{C}{2}$,所以$\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)=\sin\frac{C}{2}$,代入后就得到$\cos A + \cos B = 2\sin\frac{C}{2}\cos\left(\frac{A-B}{2}\right)$。
  • 再用二倍角公式把$\cos C$展开:$\cos C = 1 - 2\sin^2\frac{C}{2}$。
  • 把这两个结果代入$\cos A + \cos B + \cos C$里,整理一下:
    $$
    \begin{align*}
    \cos A + \cos B + \cos C &= 2\sin\frac{C}{2}\cos\left(\frac{A-B}{2}\right) + 1 - 2\sin^2\frac{C}{2} \
    &= 1 + 2\sin\frac{C}{2}\left[\cos\left(\frac{A-B}{2}\right) - \sin\frac{C}{2}\right]
    \end{align*}
    $$
  • 这里再换个恒等变换,$\sin\frac{C}{2}=\cos\left(\frac{\pi-C}{2}\right)=\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)$,所以括号里的部分可以用和差化积公式展开:$\cos\left(\frac{A-B}{2}\right)-\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)=2\sin\frac{A}{2}\sin\frac{B}{2}$。
  • 代入后就得到最终的简化结果:
    $$
    \cos A + \cos B + \cos C = 1 + 4\sin\frac{A}{2}\sin\frac{B}{2}\sin\frac{C}{2}
    $$

看到这里是不是眼熟?正好就是你提到的1970年越南奥赛题里的那个乘积项!因为三角形的每个内角都在$(0,\pi)$之间,所以每个半角都在$(0,\frac{\pi}{2})$,正弦值全是正数,那$4\sin\frac{A}{2}\sin\frac{B}{2}\sin\frac{C}{2}$肯定是正的,所以整个式子$\cos A + \cos B + \cos C = 1 + 正数$,显然大于1,更别说大于等于0了!这就直接证明了$\cos A + \cos B + \cos C \geq 0$,也就是原不等式$\cos(A+B) \leq \cos A + \cos B$在任意△ABC中都成立。

再回到你之前推到的那步$(1-\cos B)(1-\cos A) < \sin A \sin B +1$,其实这和原不等式是等价变形——你把左边展开,移项整理后就会回到$\cos(A+B) < \cos A + \cos B$,所以只要证明了后面的结论,这步自然就成立了。

最后咱们用几个特殊三角形验证下:

  • 直角三角形:$A=\frac{\pi}{2}, B=\frac{\pi}{4}, C=\frac{\pi}{4}$,$\cos(A+B)=\cos\frac{3\pi}{4}=-\frac{\sqrt{2}}{2}\approx-0.707$,$\cos A + \cos B=0+\frac{\sqrt{2}}{2}\approx0.707$,满足不等式;
  • 钝角三角形:$A=\frac{2\pi}{3}, B=\frac{\pi}{6}, C=\frac{\pi}{6}$,$\cos(A+B)=\cos\frac{5\pi}{6}=-\frac{\sqrt{3}}{2}\approx-0.866$,$\cos A + \cos B=-\frac{1}{2}+\frac{\sqrt{3}}{2}\approx0.366$,也满足;
  • 等边三角形:$\cos(A+B)=\cos\frac{2\pi}{3}=-\frac{1}{2}$,$\cos A + \cos B=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}=1$,同样成立。

所以这个不等式在所有三角形里都是恒成立的哦!

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Chicori

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