一道积分不等式的最优估计探索

本文探讨了在特定条件下,如何寻找最优化的估计系数。通过解析数学问题,使用Lagrange放缩技巧,确定了在给定区间的最优系数为4,并验证了其最优性。

此题由网友“时间都知道”向我提问,为忽悠死他某年的考研题,原题如下
f(x)f(x)f(x)在区间[0,1][0,1][0,1]上二阶连续可微,则∫01∣f′(x)∣dx≤9∫01∣f(x)∣dx+∫01∣f′′(x)∣dx\int_0^1|f'(x)|dx\leq9\int_0^1|f(x)|dx+\int_0^1|f''(x)|dx01f(x)dx901f(x)dx+01f(x)dx
\qquad原题倒不算难,考虑在[0,13][0,\frac{1}{3}][0,31][23,1][\frac{2}{3},1][32,1]中各取一点x1x_1x1,x2x_2x2,利用LagrangeLagrangeLagrange放缩,具体不予以赘述.
\qquad关于此题,9显然不是最优秀的,如何寻找最优秀的那个估计系数才是值得思考的.后来我拿这题请教专门研究pdepdepde方向的白老师,他说这是pdepdepde中内插不等式一个常用结论,看来pdepdepde确实是一门有趣的学科,有时间一定要好好学学.
\qquad下面是个人对最优系数探索的思考.
SolveSolveSolve:
\qquad首先待定x0x_0x0:∣f′(x)∣=∣f′(x0)+∫x0xf′′(t)dt∣≤∣f′(x0)∣+∫01∣f′′(x)∣dx|f'(x)|=|f'(x_0)+\int_{x_0}^xf''(t)dt|\leq|f'(x_0)|+\int_0^1|f''(x)|dxf(x)=f(x0)+x0xf(t)dtf(x0)+01f(x)dx\qquad寻找α\alphaα:∣f′(x0)∣≤α∫01∣f(x)∣dx|f'(x_0)|\leq\alpha\int_0^1|f(x)|dxf(x0)α01f(x)dx达到最优
\qquad为了使α\alphaα尽可能小,自然∣f′(x0)∣|f'(x_0)|f(x0)越小越好
\qquad不妨设∣f′(x0)∣=min[0,1]∣f′(x)∣|f'(x_0)|=\underset{[0,1]}{min}|f'(x)|f(x0)=[0,1]minf(x)
\qquad再欲用LagrangeLagrangeLagrange引进f(x)f(x)f(x),待定x1x_1x1∣f(x)∣=∣f(x1)+f′(ξ)(x−x1)∣|f(x)|=|f(x_1)+f'(\xi)(x-x_1)|f(x)=f(x1)+f(ξ)(xx1)\qquad希望∣f(x1)+f′(ξ)(x−x1)∣=∣f(x1)∣+∣f′(ξ)(x−x1)∣|f(x_1)+f'(\xi)(x-x_1)|=|f(x_1)|+|f'(\xi)(x-x_1)|f(x1)+f(ξ)(xx1)=f(x1)+f(ξ)(xx1)
\qquad这样才有∣f(x)∣≥∣f′(ξ)∣∣x−x1∣≥∣f′(x0)∣∣x−x1∣|f(x)|\geq|f'(\xi)||x-x_1|\geq|f'(x_0)||x-x_1|f(x)f(ξ)xx1f(x0)xx1
\qquad只需取∣f(x1)∣=min[0,1]∣f(x)∣|f(x_1)|=\underset{[0,1]}{min}|f(x)|f(x1)=[0,1]minf(x)即可
\qquad此时∫01∣f(x)∣dx≥∣f′(x0)∣∫01∣x−x1∣dx=∣f′(x0)∣(x122+(1−x1)22)\int_0^1|f(x)|dx\geq|f'(x_0)|\int_0^1|x-x_1|dx=|f'(x_0)|(\frac{x_1^2}{2}+\frac{(1-x_1)^2}{2})01f(x)dxf(x0)01xx1dx=f(x0)(2x12+2(1x1)2)\qquadx122+(1−x1)22≥14\frac{x_1^2}{2}+\frac{(1-x_1)^2}{2}\geq\frac{1}{4}2x12+2(1x1)241\qquad所以α=4\alpha=4α=4.又f(x)=x−1/2f(x)=x-1/2f(x)=x1/2时有等号成立,故α=4\alpha=4α=4确实最优.

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