杨氏不等式

更新时间:2024-10-24 15:15

杨氏不等式(Young‘s Inequality)又称Young不等式 ,是加权算术几何平均值不等式的一种特例,杨氏不等式也是证明赫尔德不等式的一个快捷方法。

一般形式

假设是非负实数,,那么

等号成立当且仅当.

加权形式

假设是非负实数,,,那么

其中任意小而任意大,且。

在文献的第8章第33个不等式的定义中取函数, 由等式成立当且仅当推出:当且仅当时加权形式Young不等式中的等号成立。

Young不等式是加权算术-几何平均值不等式的特例,Young不等式是证明赫尔德不等式的一个快捷方法

推广

设是一个连续、严格递增函数且,那么下面的不等式成立:

观察 的图形,很容易看出这个不等式的一个直观证明:以上两个积分式所表示的区域之和比由和组成的矩形的面积大。

证明

方法1

若,不等式显然成立。

若,令,,则该不等式变为:

设,则

时,,故时,严格递增,时,严格递减,故,得证。

时,,故时,严格递减,时,严格递增,故,得证。

方法2

如果且,而数p,q满足:1/p+1/q=1,那么

可以先证明:时,

或;

f'(x)=α[x^(α-1)-1],f'(1)=0

当时;

当x∈(0,1);f'(x)

当x∈(1,+∞);f'(x)

f(x)在x=1处取最大值,又f(1)=0,∴f(x)

当α1或α0时,

当x∈(0,1)时,f'(x)0,

当x∈(1,+∞)时,f'(x)0,

∴f(x)在x=1处取最小值,又f(1)=0,∴f(x)≥0

代入,x=a/b,α=1/p,得

当p时,即α1:

(a/b)^(1/p)-(1/p)*(a/b)+1/p-1≤0

即(a/b)^(1/p)≤(1/p)*(a/b)+1/q

同时乘以b,得:

a^(1/p)*b^(1/q)≤(1/p)*a+(1/q)*b

当p时,即α或α

(a/b)^(1/p)-(1/p)*(a/b)+1/p-1≥0即(a/b)^(1/p)≥(1/p)*(a/b)+1/q

同时乘以b,得:a^(1/p)*b^(1/q)≥(1/p)*a+(1/q)*b

证明2:令f(a)=a^p/p+b^q/q-ab,

f′(a)=a^(p-1)-b

令f′(a)0,分2种情况

1、p,ab^(1/(p-1))

f(a)f(b^(1/(p-1)))=0

即a^p/p+b^q/qab

2、p,ab^(1/(p-1))

f(a)f(b^(1/(p-1)))=0

即a^p/p+b^q/qab

证毕.

方法3

由于,

当结论显然成立,当,即,,

∴(由加权平均值不等式)

证毕.

方法4

两边求自然对数,原不等式即为

而为上凸函数,由加权琴生不等式,得

得证.

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