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相加相乗平均の不等式の次にメジャーな不等式であるコーシー・シュワルツの不等式の証明と典型的な例題を紹介します. コーシー・シュワルツの不等式 コーシー・シュワルツの不等式: 実数 $a_1, a_2, \cdots, a_n, b_1, b_2, \cdots, b_n$ について次の不等式が成り立つ. $$ (a_1b_1+a_2b_2+\cdots+a_nb_n)^2 \le (a_1^2+a_2^2+\cdots+a_n^2)(b_1^2+b_2^2+\cdots+b_n^2)$$ 等号成立条件はある実数 $t$ に対して, $$a_1t-b_1=a_2t-b_2=\cdots=a_nt-b_n=0$$ となることである. $a_1, a_2, \cdots, a_n, b_1, b_2, \cdots, b_n$ は実数であれば,正でも負でも $0$ でもなんでもよいです. 等号成立条件が少々わかりにくいと思います.もっとわかりやすくいえば,$a_1, a_2, \cdots, a_n$ と $b_1, b_2, \cdots, b_n$ の比が等しいとき,すなわち, $$\frac{a_1}{b_1}=\frac{a_2}{b_2}=\cdots=\frac{a_n}{b_n}$$ が成り立つとき,等号が成立するということです.ただし,$b_1, b_2, \cdots, b_n$ のいずれかが $0$ である可能性もあるので,その場合も考慮に入れて厳密に述べるためには上のような言い回しになります. コーシー・シュワルツの不等式とその利用 - 数学の力. 簡単な場合の証明 手始めに,$n=2, 3$ の場合について,その証明を考えてみましょう. $n=2$ のとき 不等式は,$(a_1b_1+a_2b_2)^2 \le (a_1^2+a_2^2)(b_1^2+b_2^2)$ となります.これを示すには,単に (右辺)ー(左辺) を考えればよく, $$(a_1^2+a_2^2)(b_1^2+b_2^2)-(a_1b_1+a_2b_2)^2$$ $$=(a_1^2b_1^2+a_1^2b_2^2+a_2^2b_1^2+a_2^2b_2^2)-(a_1^2b_1^2+2a_1a_2b_1b_2+a_2^2b_2^2)$$ $$=a_1^2b_2^2-2a_1a_2b_1b_2+a_2^2b_1^2$$ $$=(a_1b_2-a_2b_1)^2 \ge 0$$ とすれば示せます.
コーシー・シュワルツの不等式とその利用 - 数学の力
2016/4/15
2019/8/15
高校範囲を超える定理など, 定義・定理・公式など
この記事の所要時間: 約 5 分 12 秒
コーシー・シュワルツの不等式とラグランジュの恒等式
以前の記事「 コーシー・シュワルツの不等式 」の続きとして, 前回書かなかった別の証明方法を紹介します. コーシー・シュワルツの不等式
コーシー・シュワルツの不等式は次のような不等式です. ・\((a^2+b^2)(x^2+y^2)\geqq (ax+by)^2\)
等号は\(a:x=b:y\)のときのみ
・\((a^2+b^2+c^2)(x^2+y^2+z^2)\geqq(ax+by+cz)^2\)
等号は\(a:x=b:y=c:z\)のときのみ
・\((a_1^2+a_2^2+\cdots+a_n^2)(x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2)\geqq(a_1x_1+a_2x_2+\cdots+a_nx_n)^2\)
等号は\(a_1:x_1=a_2:x_2=\cdots=a_n:x_n\)のときのみ
但し, \(a, b, c, x, y, z, a_1, \cdots, a_n, x_1, \cdots, x_n\)は実数. 利用する例などは 前回の記事 を参照してください. 証明. 1. ラグランジュの恒等式の利用
ラグランジュの恒等式
\[\left(\sum_{k=1}^n a_k^2\right)\left(\sum_{k=1}^n b_k^2\right)=\left(\sum_{k=1}^n a_kb_k \right)^2+\sum_{1\leqq k今回は
コーシー・シュワルツの不等式
について紹介します。
重要なのでしっかり理解しておきましょう! コーシー・シュワルツの不等式 (1)
(等号は のときに成立)
(2)
この不等式を、 コーシー・シュワルツの不等式 といいます。
入試でよく出るというほどでもないですが、
不等式の証明問題や多変数関数の最大値・最小値を求める際に
威力を発揮 する不等式です。
証明
(1), (2)を証明してみましょう。
(左辺)-(右辺)が 以上であることを示します。
実際の証明をみると、「あぁ、・・・」と思うかもしれませんが、
初めてやってみると案外難しいですし、式変形の良い練習になりますので、
ぜひまずは証明を自分でやってみてください! (数行下に証明を載せていますので、できた人は答え合わせをしてくださいね)
(1)
等号は 、つまり、 のときに成立します
等号は 、
つまり、 のときに成立します。
、、うまく証明できましたか? (2)の式変形がちょっと難しかったかもしれませんが、(1)の変形を3つ作れる!ということに気付ければできると思います。
では、このコーシー・シュワルツの不等式を使って例題を解いてみましょう。
2変数関数の最小値を求める問題ですが、このコーシー・シュワルツの不等式を使えば簡単に解くことができます! ポイントはコーシー・シュワルツの不等式をどう使うかです。
自分でじっくり考えた後、下の解答を見てくださいね! 例題
を実数とする。
のとき、 の最小値を求めよ。
解
コーシー・シュワルツの不等式より、
この等号は 、かつ 、
すなわち、 のときに成立する
よって、最小値は である
コーシー・シュワルツの不等式の(1)式で、 を とすればよいのですね。。
このコーシー・シュワルツの不等式は慣れていないと少し使いにくいかもしれませんが、練習すれば自然と慣れてきます! 大学受験でも有用な不等式なので、ぜひコーシー・シュワルツの不等式は使えるようになっていてください!