
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)2≤∫baf2(x)dx∫bag2(x)dx.
证明: 对任意 x∈(a,b),(tf(x)−g(x))2≥0, 从而
∫ba(tf(x)−g(x))2dx≥0,
展开得
(∫baf2(x)dx)t2−2(∫baf(x)g(x)dx)t+∫bag2(x)dx≥0
对 t∈R 成立. 因此
4(∫baf(x)g(x)dx)2−4∫baf2(x)dx∫bag2(x)dx≤0,
即不等式成立.
2 Young 不等式
设函数 f(x)在(0,c) 上连续且严格递增, f(0)=0,a∈(0,c),b∈(0,f(c)). 证明:
ab≤∫a0f(x)dx+∫b0f−1(x)dx.
证明: 由定积分的几何意义可得.
2′ 推论: 若 u,v≥0,p,q>0,1p+1q=1, 则
uv≤upp+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|dx≤∫ba(|f(x)|pp∫ba|f(x)|pdx+|g(x)|qq∫ba|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)1p⋅p=∫ba|f(x)+g(x)||f(x)+g(x)|p−1dx≤∫ba|f(x)||f(x)+g(x)|p−1dx+∫ba|g(x)||f(x)+g(x)|p−1dx≤(∫ba|f(x)|pdx)1p(∫ba|f(x)+g(x)|(p−1)qdx)1q+(∫ba|g(x)|pdx)1p(∫ba|f(x)+g(x)|(p−1)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.
6 Chebyshev 不等式
设函数 f(x),g(x) 在 (a,b) 上单调递增, 证明:
∫baf(x)g(x)dx≥1b−a∫baf(x)dx∫bag(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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