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数学分析笔记——积分不等式

数学分析笔记——积分不等式

1​ Cauchy-Schwarz 不等式

设函数 f(x),g(x)L[a,b], 证明:
(baf(x)g(x)dx)2baf2(x)dxbag2(x)dx.

证明: 对任意 x(a,b),(tf(x)g(x))20, 从而
ba(tf(x)g(x))2dx0,


展开得
(baf2(x)dx)t22(baf(x)g(x)dx)t+bag2(x)dx0

tR 成立. 因此
4(baf(x)g(x)dx)24baf2(x)dxbag2(x)dx0,

即不等式成立.

2​ Young 不等式

设函数 f(x)(0,c) 上连续且严格递增, f(0)=0,a(0,c),b(0,f(c)). 证明:
aba0f(x)dx+b0f1(x)dx.


证明: 由定积分的几何意义可得.

2 推论: 若 u,v0,p,q>0,1p+1q=1, 则
uvupp+vqq.

3​ Hölder不等式

设函数 f(x),g(x)L[a,b],p,q>0,1p+1q=1. 证明:
ba|f(x)g(x)|dx(ba|f(x)|pdx)1p(ba|g(x)|qdx)1q.

证明: 不妨设右式大于零. 故利用 2 可以得到
ba|f(x)(ba|f(x)|pdx)1pg(x)(ba|g(x)|qdx)1q|dxba(|f(x)|ppba|f(x)|pdx+|g(x)|qqba|g(x)|qdx)dx=1p+1q=1,


由此得结论成立.

4 Minkowski 不等式 (p>1)

设函数 f(x),g(x)L[a,b],p>1. 证明:
(ba|f(x)+g(x)|pdx)1p(ba|f(x)|pdx)1p+(ba|g(x)|pdx)1p.

证明: 设 q>1 满足 1p+1q=1.
(ba|f(x)+g(x)|pdx)1pp=ba|f(x)+g(x)||f(x)+g(x)|p1dxba|f(x)||f(x)+g(x)|p1dx+ba|g(x)||f(x)+g(x)|p1dx(ba|f(x)|pdx)1p(ba|f(x)+g(x)|(p1)qdx)1q+(ba|g(x)|pdx)1p(ba|f(x)+g(x)|(p1)qdx)1q=((ba|f(x)|pdx)1p+(ba|g(x)|pdx)1p)(ba|f(x)+g(x)|pdx)1q.


由此得结论成立.

5 Minkowski 不等式 (0<p<1)

设非负函数 f(x),g(x)L[a,b],0<p<1. 证明: (ba(f(x)+g(x))pdx)1p(ba(f(x))pdx)1p+(ba(g(x))pdx)1p.

证明: 不妨设右式二者均大于零. 设 c=(ba(f(x))pdx)1p,d=(ba(g(x))pdx)1p. 由于 y=xp 为凹函数. (ba(f(x)+g(x)c+d)pdx)1p=(ba[cc+df(x)c+dc+dg(x)d]pdx)1p(ba[cc+d(f(x))pba(f(x))pdx+dc+d(g(x))pba(g(x))pdx]dx)1p=1.

6​ Chebyshev 不等式

设函数 f(x),g(x)(a,b) 上单调递增, 证明:
baf(x)g(x)dx1babaf(x)dxbag(x)dx.

证明: 对任意 x,y(a,b),(f(x)f(y))(g(x)g(y))0, 在 (a,b) 上依次分别对 x,y 积分即得结论成立.

 

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