Απόδειξη μαθηματικής ανισότητας με ηλεκτρικό βραχυκύκλωμα

Θεωρούμε το παρακάτω κύκλωμα τεσσάρων αντιστατών (δυο με αντίσταση α και δυο με αντίσταση b):

H ολική αντίσταση θα είναι R=(α+b)/2. Στη συνέχεια συνδέουμε τα σημεία P και Q του κυκλώματος κλείνοντας τον διακόπτη. Παρατηρούμε ότι το αμπερόμετρο δείχνει πως το ηλεκτρικό ρεύμα αυξήθηκε. Αυτό σημαίνει πως η νέα ολική αντίσταση του κυκλώματος μειώθηκε(*): R’=2αb/(α+b)≤R=(α+b)/2 (στην περίπτωση που α=b η ολική αντίσταση παραμένει η ίδια).

Έχουμε λοιπόν ότι αb≤(α+b)2/4, δηλαδή … αποδείξαμε την γνωστή ανισότητα μεταξύ γεωμετρικού και αριθμητικού μέσου δύο θετικών αριθμών α και b: \sqrt{a \cdot b} \leq \frac{a+b}{2}

Κι όχι μόνο. Από την R=(α+b)/2≥R’=2αb/(α+b) παίρνουμε: \frac{a+b}{2} \geq \sqrt{(\frac{a+b}{2})(\frac{2ab}{a+b})} \geq \frac{2ab}{a+b}, δηλαδή την διπλή ανισότητα που εκτός από τον αριθμητικό και γεωμετρικό μέσο, περιλαμβάνει και τον αρμονικό μέσο των αριθμών α και b:

\frac{a+b}{2} \geq \sqrt{a \cdot b} \geq \frac{2}{\frac{1}{a}+\frac{1}{b}}

Mπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την παραπάνω μέθοδο αποδεικνύοντας την γενικευμένη ανισότητα μεταξύ αριθμητικού και αρμονικού μέσου, θεωρώντας το παρακάτω κύκλωμα αντιστατών:

Η κάθε οριζόντια σειρά του παραπάνω κυκλώματος περιέχει τους αντιστάτες, α1, α2, …, αn σε διαφορετική διάταξη κάθε φορά

Όπως προηγουμένως διαπιστώνουμε πειραματικά ότι η ολική αντίσταση του κυκλώματος, όταν όλοι οι διακόπτες είναι ανοιχτοί, είναι μεγαλύτερη από την ολική αντίσταση όταν όλοι οι διακόπτες είναι κλειστοί, και έτσι εύκολα καταλήγουμε στην ανισότητα:

\frac{a_{1}+a_{2}+ \dots +a_{n}}{n} \geq \frac{n}{\frac{1}{a_{1}}+ \frac{1}{a_{2}} + \cdots +\frac{1}{a_{n}}}

πηγή: Mark Levi, ‘THE MATHEMATICAL MECHANIC using physical reasoning to solve problems’, Princeton University Press

(*) Αποδεικνύεται και θεωρητικά πως όταν σ’ ένα κύκλωμα προκαλούμε βραχυκύκλωμα (μετατρέποντας κάποιες διαδρομές με άπειρη αντίσταση σε μηδενική αντίσταση), τότε η συνολική αντίσταση του κυκλώματος μειώνεται.



Κατηγορίες:ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ, ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ

Ετικέτες: , ,

3 replies

  1. Πολύ ενδιαφέρον!

  2. Μια μικρή διόρθωση.
    Στο «αποδείξαμε την γνωστή ανισότητα μεταξύ γεωμετρικού και αριθμητικού μέσου δύο θετικών αριθμών α και b: √(α⋅b)≥(α+b)/2» θέλει αλλαγή η φορά της ανισότητας.

Γράψτε απάντηση στο Vagelis Ακύρωση απάντησης

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση /  Αλλαγή )

Σύνδεση με %s

Ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για την εξάλειψη των ανεπιθύμητων σχολίων. Μάθετε πως επεξεργάζονται τα δεδομένα των σχολίων σας.

Αρέσει σε %d bloggers: