柯西(Cauchy)不等式

什么是柯西(Cauchy)不等式

对于任意两组实数 a 1 , a 2 , . . . , a n ; b 1 , b 2 , . . . , b n a_1, a_2, ..., a_n; b_1, b_2, ..., b_n a1,a2,...,an;b1,b2,...,bn, 有 ∑ i = 1 n a i 2 ⋅ ∑ i = 1 n b i 2 ≥ ( ∑ i = 1 n a i b i ) 2 \displaystyle \sum_{i = 1}^n a_i^2 \cdot \sum_{i = 1}^n b_i^2 \ge (\sum_{i = 1}^n a_ib_i)^2 i=1nai2i=1nbi2(i=1naibi)2, 当且仅当 a i a_i ai b i ( i = 1 , 2 , . . . , n ) b_i (i = 1, 2, ..., n) bi(i=1,2,...,n)对应成比例, 即 a 1 b 1 = a 2 b 2 = . . . = a n b n \displaystyle \frac{a_1}{b_1} = \frac{a_2}{b_2} = ... = \frac{a_n}{b_n} b1a1=b2a2=...=bnan时等号成立. 这个不等式成为柯西(Cauchy)不等式.

柯西(Cauchy)不等式的证明

( a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ) ( b 1 2 + b 1 2 + b n 2 ) ≥ ( a 1 b 1 + a 2 b 2 + . . . + a n b n ) 2 (a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2)(b_1^2 + b_1^2 + b_n^2) \ge (a_1b_1 + a_2b_2 + ... + a_nb_n)^2 (a12+a22+...+an2)(b12+b12+bn2)(a1b1+a2b2+...+anbn)2
证明 :   a 1 2 x 2 − 2 a 1 b 1 x + b 1 2 = ( a 1 x − b 1 ) 2 ≥ 0 a 2 2 x 2 − 2 a 2 b 2 x + b 2 2 = ( a 2 x − b 2 ) 2 ≥ 0 . . . a n 2 x 2 − 2 a n b n x + b n 2 = ( a n x − b n ) 2 ≥ 0 相加得 : ( a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ) x 2 − 2 ( a 1 b 1 + a 2 b 2 + . . . + a n b n ) x + ( b a 2 + b 2 2 + . . . + b n 2 ) ≥ 0 1 )   a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 = 0 a 1 = a 2 = . . . = a n = 0 不等式成立 2 )   a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ≠ 0 令 f ( x ) = ( a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ) x 2 − 2 ( a 1 b 1 + a 2 b 2 + . . . + a n b n ) x + ( b a 2 + b 2 2 + . . . + b n 2 ) 因为 a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 > 0 且 ( a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ) x 2 − 2 ( a 1 b 1 + a 2 b 2 + . . . + a n b n ) x + ( b a 2 + b 2 2 + . . . + b n 2 ) ≥ 0 所以 f ( x ) 为一个开口向上恒非负的二次函数 所以方程 ( a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ) x 2 − 2 ( a 1 b 1 + a 2 b 2 + . . . + a n b n ) x + ( b a 2 + b 2 2 + . . . + b n 2 ) = 0 的 Δ ≤ 0 所以 ( a 1 2 + a 2 2 + . . . + a n 2 ) ( b 1 2 + b 1 2 + b n 2 ) ≥ ( a 1 b 1 + a 2 b 2 + . . . + a n b n ) 2 当 Δ = 0 , 即 a 1 b 1 = a 2 b 2 = . . . = a n b n 时等号成立 综上所述 : 命题得证 . \begin{aligned} 证明: \: &a_1^2x^2 - 2a_1b_1x + b_1^2 = (a_1x - b_1)^2 \ge 0 \\ &a_2^2x^2 - 2a_2b_2x + b_2^2 = (a_2x - b_2)^2 \ge 0 \\ &...\\ &a_n^2x^2 - 2a_nb_nx + b_n^2 = (a_nx - b_n)^2 \ge 0 \\ &相加得: (a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2)x^2 - 2(a_1b_1 + a_2b_2 + ... + a_nb_n)x + (b_a^2 + b_2 ^2 + ... + b_n^2) \ge 0 \\ &\begin{aligned} 1) \: & a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2 = 0 \\ &a_1 = a_2 = ... = a_n = 0 \\ &不等式成立 \end{aligned} \\ &\begin{aligned} 2) \: & a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2 \ne 0 \\ &令 f(x) = (a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2)x^2 - 2(a_1b_1 + a_2b_2 + ... + a_nb_n)x + (b_a^2 + b_2 ^2 + ... + b_n^2) \\ &因为 a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2 > 0 且 (a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2)x^2 - 2(a_1b_1 + a_2b_2 + ... + a_nb_n)x + (b_a^2 + b_2 ^2 + ... + b_n^2) \ge 0 \\ &所以 f(x) 为一个开口向上恒非负的二次函数 \\ &所以方程 (a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2)x^2 - 2(a_1b_1 + a_2b_2 + ... + a_nb_n)x + (b_a^2 + b_2 ^2 + ... + b_n^2) = 0的 \Delta \le 0 \\ &所以(a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2)(b_1^2 + b_1^2 + b_n^2) \ge (a_1b_1 + a_2b_2 + ... + a_nb_n)^2 \\ &当 \Delta = 0, 即 \frac{a_1}{b_1} = \frac{a_2}{b_2} = ... = \frac{a_n}{b_n}时等号成立 \end{aligned} \\ &综上所述: 命题得证. \end{aligned} 证明:a12x22a1b1x+b12=(a1xb1)20a22x22a2b2x+b22=(a2xb2)20...an2x22anbnx+bn2=(anxbn)20相加得:(a12+a22+...+an2)x22(a1b1+a2b2+...+anbn)x+(ba2+b22+...+bn2)01)a12+a22+...+an2=0a1=a2=...=an=0不等式成立2)a12+a22+...+an2=0f(x)=(a12+a22+...+an2)x22(a1b1+a2b2+...+anbn)x+(ba2+b22+...+bn2)因为a12+a22+...+an2>0(a12+a22+...+an2)x22(a1b1+a2b2+...+anbn)x+(ba2+b22+...+bn2)0所以f(x)为一个开口向上恒非负的二次函数所以方程(a12+a22+...+an2)x22(a1b1+a2b2+...+anbn)x+(ba2+b22+...+bn2)=0Δ0所以(a12+a22+...+an2)(b12+b12+bn2)(a1b1+a2b2+...+anbn)2Δ=0,b1a1=b2a2=...=bnan时等号成立综上所述:命题得证.

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