从小我们就学过算术平均和几何平均,似乎看起来是两种意义的平均,一个是“和”的平均,一个是“积”的平均。但是算数平均推广到幂平均以后,这两者可以统一。实际上,几何平均就是"零次幂平均"(在极限意义下),也就是说,我们有如下等式:

limm0Mm(a)=limm0(a1m+a2m++anmn)1/m=a1a2ann=G(a)\lim_{m\rightarrow 0} M_m(a) = \lim_{m\rightarrow 0} \left(\frac{a_1^m + a_2^m+\dots+ a_n^m}{n} \right)^{1/m}=\sqrt[n]{a_1 a_2 \dots a_n}=G(a)

左边是幂的形式,右边也是幂的形式,但是指数不一样,所以,当时我也是想取对数来做,右边取完对数就会变成

1nln(a1a2an)=1n(lna1+lna2++lnan)\frac{1}{n}\ln(a_1a_2\dots a_n)=\frac{1}{n}(\ln a_1+\ln a_2+\cdots+\ln a_n)

接下来就看不到什么迹象了,再看左边的形式,取完对数后变成了

1m(ln(a1m++anm)lnn)\frac{1}{m} (\ln(a_1^m + \cdots + a_n^m)-\ln n)

到这里似乎不能进行下去了。

在课堂上大概就想到这里,后来下课后也没有多想,不过偶然地机会看到一本老书——史济怀的《平均》,里面有详细地证明。大体的想法也是先取对数,不过我们还需要一个关键的替换。下面是书本的证明思路:

x=a1m+a2m++anmn1x=\frac{a_1^m + a_2^m + \dots + a_n^m}{n}-1,那么很容易知道limm0x=0\lim_{m\rightarrow 0}x=0,于是,我们的lnMm(a)\ln M_m(a)可以写成:

lnMm(a)=1mln(1+x)=xrln(1+x)x\ln M_m(a)=\frac{1}{m}\ln(1+x) = \frac{x}{r}\frac{\ln(1+x)}{x}

根据洛必达法则,很容易知道limx0ln(1+x)x=1\lim_{x\rightarrow 0}\frac{\ln(1+x)}{x}=1,因此我们现在只需要考虑limm0xm\lim_{m\rightarrow 0}\frac{x}{m}即可:

limm0xm=limm0a1m+a2m++anmn1m=1nlimm0a1m+a2m++anmnm=1nlimm0(a1m1m+a2m1m++anm1m)=1n(lna1+lna2++lnan)=lna1a2ann\begin{aligned}\lim_{m \rightarrow 0} \frac{x}{m} &= \lim_{m \rightarrow 0}\frac{\frac{a_1^m + a_2^m + \ldots + a_n^m}{n} - 1}{m} \\ &= \frac{1}{n} \lim_{m \rightarrow 0} \frac{a_1^m + a_2^m + \ldots +a_n^m - n}{m}\\ &= \frac{1}{n} \lim_{m \rightarrow 0} \left(\frac{a^m_1 - 1}{m} +\frac{a^m_2 - 1}{m} + \ldots + \frac{a^m_n - 1}{m}\right)\\ &= \frac{1}{n} \left( \ln a_1 + \ln a_2 + \ldots + \ln a_n \right) \\ &= \ln \sqrt[n]{a_1 a_2 \ldots a_n} \end{aligned}

这样接着刚才的分析我们就已经证明完毕了。