Skip to content

柯西不等式 ​

1. 柯西不等式表述 ​

设 a∈R, i=1, 2, ⋯ , na \in \R,\, i = 1,\,2,\,\cdots,\,n 则

(∑i=1naibi)2⩽∑i=1nai2∑i=1nbi2\left(\sum_{i=1}^n a_i b_i\right)^2 \leqslant \sum_{i=1}^n a_i^2 \sum_{i=1}^n b_i^2

当且仅当 ai=kbia_i = kb_i(kk 为常数,i=1, 2, ⋯ , ni = 1,\,2,\,\cdots,\,n)时取等号。

证明

要证柯西不等式,只要证

∑i=1nai2∑i=1nbi2−(∑i=1naibi)2⩾0\sum_{i=1}^n a_i^2 \sum_{i=1}^n b_i^2 - \left(\sum_{i=1}^n a_i b_i\right)^2 \geqslant 0

只要证

(a12+a22+⋯+an2)(b12+b22+⋯+bn2)−(a1b1+a2b2+⋯+anbn)2⩾0\left(a_1^2 + a_2^2 + \cdots + a_n^2\right) \left(b_1^2 + b_2^2 + \cdots + b_n^2\right) - \left(a_1b_1 + a_2b_2 + \cdots + a_nb_n\right)^2 \geqslant 0

将上式拆项、整理得(此处省略拆项过程)

∑i=1n−1∑j=i+1n(ai2bj2+aj2bi2−2aiajbibj)⩾0\sum_{i=1}^{n-1}\sum_{j=i+1}^n \left(a_i^2b_j^2 + a_j^2b_i^2 - 2a_ia_jb_ib_j\right) \geqslant 0

那么,只要证

∑i=1n−1∑j=i+1n(aibj−ajbi)2⩾0\sum_{i=1}^{n-1}\sum_{j=i+1}^n \left(a_ib_j - a_jb_i\right)^2 \geqslant 0

显然成立,当且仅当 aibj=ajbia_ib_j = a_jb_i 成立,即 ai=kbia_i = kb_i(kk 为常数,i=1, 2, ⋯ , ni = 1,\,2,\,\cdots,\,n)时取等号。

2. 重要结论 ​

@inference-1 设 ai∈Ra_i \in \R,则

∑i=1nain⩽∑i=1nai2n\frac{\sum_{i=1}^n a_i}{n} \leqslant \sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n a_i^2}{n} }

这个结论其实也是均值不等式的一个公式。

证明

令 bi=1/nb_i = 1/n,那么柯西不等式变形为

(1n∑i=1nai)2⩽nn2∑i=1nai2\left(\frac{1}{n}\sum_{i=1}^n a_i\right)^2 \leqslant \frac{n}{n^2} \sum_{i=1}^n a_i^2

两边开根号得

∑i=1nain⩽∑i=1nai2n\frac{\sum_{i=1}^n a_i}{n} \leqslant \sqrt{\frac{\sum_{i=1}^n a_i^2}{n} }

@inference-2 设 xi∈R, yi>0x_i \in \R,\,y_i > 0,则

∑i=1nyi∑i=1nxi2yi⩾(∑i=1nxi)2\sum_{i=1}^n y_i\sum_{i=1}^n \frac{x_i^2}{y_i} \geqslant \left(\sum_{i=1}^n x_i\right)^2

这是柯西不等式的分数形式,也是权方和不等式的一个特例。

证明

令 ai=xiyi, bi=yia_i = \dfrac{x_i}{\sqrt{y_i} },\,b_i = \sqrt{y_i},则柯西不等式变形为

∑i=1nyi∑i=1nxi2yi⩾(∑i=1nxi)2\sum_{i=1}^n y_i\sum_{i=1}^n \frac{x_i^2}{y_i} \geqslant \left(\sum_{i=1}^n x_i\right)^2

结论得证。

附录:构造函数证明柯西不等式 ​

注意到柯西不等式是 ac⩾b2ac \geqslant b^2 的结构,可以构造二次方程的判别式 Δ=b2−4ac\Delta = b^2 - 4ac,于是构造如下的二次函数:

f(x)=(∑i=1nai2)x2+2(∑i=1naibi)x+∑i=1nbi2f(x) = \left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right) x^2 + 2 \left(\sum_{i=1}^n a_i b_i\right)x + \sum_{i=1}^n b_i^2

注意到这个二次函数可以变形为:

f(x)=∑i=1n(aix+bi)2f(x) = \sum_{i=1}^n \left(a_ix + b_i\right)^2

于是有 f(x)⩾0f(x) \geqslant 0,所以其判别式恒小于等于 00,即:

(2∑i=1naibi)2−4∑i=1nai2∑i=1nbi2⩽0\left(2\sum_{i=1}^n a_i b_i\right)^2 - 4\sum_{i=1}^n a_i^2\sum_{i=1}^n b_i^2 \leqslant 0

变形即得柯西不等式。