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本文分为 3 部分,
第 1 部分是介绍这些不等式,第 2 部分是证明这些不等式,第 3 部分为小量习题和参考资料
本文整理了一些 OI 中迟早会用到的不等式,本文中的所有证明均只用到初等(甚至初中)数学内容,所以放心吔。
∑i=lrai=al+al+1+⋯+ar−1+ar
这里的
ai,bi 啥全部在实数域内
可爱的不等式们
均值不等式:
平方平均数:
Qn=n∑i=1nai2
算术平均数:
An=n∑i=1nai
几何平均数:
Gn=na1a2⋯an
调和平均数:
Hn=∑i=1nai1n
他们之间的关系:
Hn≤Gn≤An≤Qn,简称”调几算方“
取等条件(即
Qn=An=Gn=Hn):
a1=a2=⋯=an
柯西 (Cauchy)不等式
(i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2)≥(i=1∑naibi)2
取等条件:
b1a1=b2a2=⋯=bnan ,或者
a1=a2=⋯=an=0 ,或者
b1=b2=⋯=bn=0
排序不等式
设
a1≤a2≤⋯≤an ,
b1≤b2≤⋯≤bn
i=1∑naibn−i+1≤i=1∑naibdi≤i=1∑naibi
d1,d2,⋯,dn 是 1~n 的任意一个排列
取等条件:
a1=a2=⋯=an 或者 b1=b2=⋯=bn
杨氏 (Young) 不等式
a,b≥0,p>1,p1+q1=1,有
ab≤pap+qbq
赫尔德 (Holder) 不等式
ai,bi≥0,p>1,p1+q1=1,有
i=1∑naibi≤pi=1∑naip×qi=1∑nbiq
取等条件:
b1qa1p=bq2a2p=⋯=bnqanp,或者
a1=a2=⋯=an=0 ,或者
b1=b2=⋯=bn=0
证明
均值不等式:
首先来证
An≤Qn,即
n∑i=1nai≤n∑i=1nai2
(c−d)2≥0
c2−2cd+d2≥0
c2+d2≥2cd
那么我们来看这个柿子:
1≤i,j≤n,i=j∑2aiaj≤(n−1)×i=1∑nai2
我们发现,左边展开有
2n(n−1) 项,右边展开有
n(n−1) 项
那么左边的每一个
2aiaj 都可以在右边找到一个对应的
ai2,aj2 ,所以这个柿子成立
然后继续添加一点东西
1≤i,j≤n,i=j∑2aiaj+i=1∑nai2≤n×i=1∑nai2
(i=1∑nai)2≤n×i=1∑nai2
n2(∑i=1nai)2≤n∑i=1nai2
n∑i=1nai≤n∑i=1nai2
即证明了
An≤Qn
接下来来证明均值不等式中最经典的
Gn≤An,即
na1a2⋯an≤n∑i=1nai
使用数学归纳法
我们用
P(n) 表示
na1a2⋯an≤n∑i=1nai 这个命题
因为
a1=a1 ,所以
P(1) 成立
因为
(2c+d)2−cd
=4c2+2cd+d2−cd
=4c2−2cd+d2=4(c−d)2
因为
(c−d)2≥0
所以
4(c−d)2≥0
所以
(2c+d)2≥cd
所以
2c+d≥cd
设
c1=na1+a2+⋯+an,c2=nan+1+an+2+⋯+a2n,d1=na1a2⋯an,d2=nan+1an+2⋯a2n
根据
P(2) 成立,我们可以推出
2c1+c2≥d1d2
c1≥d1,c2≥d2
这里,你只要稍微想一想,假设
c1=d1,c2=d2 ,那么
2c1+c2≥d1d2
而,
c1,c2 却是
≥d1,d2 ,那还用说,
2c1+c2≥d1d2 肯定成立
那么,
2c1+c2≥d1d2
2na1+a2+⋯+an+nan+1+an+2+⋯+a2n≥na1a2⋯an×nan+1an+2⋯a2n
2na1+a2+...+a2n≥na1a2...a2n
2na1+a2+...+a2n≥2na1a2...a2n
于是,我们可以通过
P(n) 成立来推出
P(2n) 成立
于是,对于任意的
P(2k),都成立
接下来,我们要通过
P(n) 成立来推出
P(n−1) 成立:
我们先想一下,要找一个
an 使得
na1+a2+⋯+an=n−1a1+a2+⋯+an−1
na1+a2+⋯+an=n−1a1+a2+⋯+an−1
(n−1)×(a1+a2+⋯+an)=n×(a1+a2+⋯+an−1)
(n−1)×(a1+a2+⋯+an−1)+(n−1)×an=(n−1)×(a1+a2+⋯+an−1)+(a1+⋯+an−1)
(n−1)×an=(a1+a2+⋯+an−1)
an=n−1a1+a2+⋯+an−1
于是,这里
na1+a2+⋯+an=n−1a1+a2+⋯+an−1
那么就有:
n−1a1+a2+⋯+an−1≥na1a2⋯an
(n−1a1+a2+...+an−1)n≥a1a2...an
(n−1a1+a2+⋯+an−1)n≥a1a2⋯an−1×n−1a1+a2+⋯+an−1
(n−1a1+a2+⋯+an−1)n−1≥a1a2⋯an−1
n−1a1+a2+⋯+an−1≥n−1a1a2⋯an−1
于是当
P(n) 成立时
P(n−1) 也成立
整理一下现在的条件,我们有
P(1),P(2) 成立,
P(n) 成立时
P(2n) 成立,
P(n) 成立时
P(n−1) 成立
于是,对于任何正整数
n ,
P(n) 都成立
于是证明了
Gn≤An
最后一个,
Hn≤Gn ,即
∑i=1nai1n≤na1a2⋯an,
ai≥0
我们先把刚证的
Gn≤An 拿过来
na1a2⋯an≤n∑i=1nai
我们把所有的
ai=ai1,替换一下
即
na1a2⋯an1≤n∑i=1nai1
两边同时取倒数,又因为两边同号,所以不等号取反
na1a2⋯an11≥∑i=1nai1n
((a1a2⋯an1)n1)−1≥∑i=1nai1n
((a1a2⋯an1)−1)n1≥∑i=1nai1n
(a1a2⋯an)n1≥∑i=1nai1n
na1a2⋯an)≥∑i=1nai1n
Hn≤Gn≤An≤Qn 证完了~
关于取等条件,我们发现上面都用到了
(c−d)2≥0 这个,那么
(c−d)2=0 的时候就是
c=d
所以取等条件是
a1=a2=⋯=an
柯西 (Cauchy)不等式
(i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2)≥(i=1∑naibi)2
在人教版选修4-5上有一种通过巧妙地构造来证明的方法
f(x)=i=1∑n(aix+bi)2=(i=1∑nai2)x2+2(i=1∑naibi)+i=1∑nbi2≥0
所以
f(x) 的判别式
Δ≤0
所以
(2(i=1∑naibi))2−4((i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2))≤0
4(i=1∑naibi)2≤4((i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2))
(i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2)≥(i=1∑naibi)2
当
Δ=0 时,上面的
≥ 变成
= ,那么方程的 2 实数根相等,也就是说
x 唯一
那么就有
a1x+b1=a2x+b2=⋯=anx+bn=0
若
x=0 ,那么
b1=b2=⋯=bn=0
若
x=0 ,那么
ax=−x1bi,那么
b1a1=b2a2=⋯=bnan
交换
ai,bi 就可得到:
取等条件:
b1a1=b2a2=⋯=bnan ,或者
a1=a2=⋯=an=0 ,或者
b1=b2=⋯=bn=0
当然也可以用数学归纳法:
我们用
P(n) 表示
(∑i=1nai2)×(∑i=1nbi2)≥(∑i=1naibi)2 这个命题
(a2+b2)(c2+d2)=(ac)2+(bd)2+(bc)2+(ad)2
=(ac)2+2abcd+(bd)2+(bc)2−2abcd+(ad)2
=(ac+bd)2−(bc−ad)2≥(ac+bd)2
取等条件
bc−ad=0,即
ca=db
那么我们现在要从
P(n) 成立推到
P(n+1)
假设
P(n) 成立:即
(∑i=1nai2)×(∑i=1nbi2)≥(∑i=1naibi)2
(i=1∑nai2+an+12)×(i=1∑nbi2+bn+12)=(i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2)+(i=1∑nai2)×bn+12+(i=1∑nbi2)×an+12+an+12bn+12
其中
因为
(AD2−BC2)≥0
A2D4−2ABC2D2+B2C4≥0
A2D4+2ABC2D2+B2C4≥4ABC2D2
(AD2+BC2)2≥4ABC2D2
AD2+BC2≥4ABC2D2
A×D2+B×C2≥2×∣C∣×∣D∣×AB
代入
A=∑i=1nai2,B=∑i=1nbi2,C=an+12,D=bn+12,得
(i=1∑nai2)×bn+12+(i=1∑nbi2)×an+12≥2×∣an+1∣×∣bn+1∣×(i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2)
因为
(∑i=1nai2)×(∑i=1nbi2)≥(∑i=1naibi)2,所以
(∑i=1nai2)×(∑i=1nbi2)≥(∑i=1naibi),
又因
∣an+1∣×∣bn+1∣≥an+1×bn+1
所以
(i=1∑nai2)×bn+12+(i=1∑nbi2)×an+12≥2×an+1×bn+1×(i=1∑naibi)
所以
(i=1∑nai2)×(i=1∑nbi2)+(i=1∑nai2)×bn+12+(i=1∑nbi2)×an+12+an+12bn+12
≥(i=1∑naibi)2+2×an+1×bn+1×(i=1∑naibi)+an+12bn+12
所以
(i=1∑nai2+an+12)×(i=1∑nbi2+bn+12)≥(i=1∑n+1aibi)2
由此通过数学归纳法证明了柯西不等式
排序不等式
设
a1≤a2≤⋯≤an ,
b1≤b2≤⋯≤bn
i=1∑naibn−i+1≤i=1∑naibdi≤i=1∑naibi
d1,d2,⋯,dn 是
1∼n 的任意一个排列
我们使用数学归纳法证明:
我们用
P(n) 表示
∑i=1naibn−i+1≤∑i=1naibdi≤∑i=1naibi 这个命题
显然
P(1) 和
P(2) 成立
我们现在要通过
P(n) 推出
P(n+1) 成立:
假设
P(n) 成立,即
∑i=1naibn−i+1≤∑i=1naibdi≤∑i=1naibi
那么有
i=1∑naibi+an+1bn+1≥i=1∑naibdi+an+1bn+1
即
i=1∑n+1aibi≥i=1∑naibdi+an+1bn+1
我们可以把右边的
n+1 和
d1,⋯,dn 中任何一个交换,也可以不动,所以给原来
n! 的全排列乘上了
n+1 种方案数,那么就变成了
(n+1)! ,于是
∑i=1n+1aibi≥∑i=1n+1aibdi 成立
同理,有
i=1∑naibn−i+1+an+1bn+1≤i=1∑naibdi+an+1bn+1
即
i=1∑n+1aibn−i+1≤i=1∑naibdi+an+1bn+1
我们可以把右边的
n+1 和
d1,⋯,dn 中任何一个交换,也可以不动,所以给原来
n! 的全排列乘上了
n+1 种方案数,那么就变成了
(n+1)! ,于是
∑i=1n+1aibn−i+1≤∑i=1n+1aibdi 成立
所以我们通过
P(n) 成立证明了
P(n+1) 成立
由此证明了排序不等式
习题以及参考资料
题都很水
牛客小白月赛5-B-范围(range)(柯西不等式)
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