問 $n$ 個の実数 $x_1, x_2, \cdots, x_n$ が $x_1+x_2+\cdots+x_n=1$ を満たすとき,次の不等式を示せ. $$x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2 \ge \frac{1}{n}$$ $$(x_1\cdot 1+x_2 \cdot 1+\cdots+x_n \cdot 1)^2 \le (x_1^2+x_2^2+\cdots+x_n^2)n$$ これと,$x_1+x_2+\cdots+x_n=1$ より示される. 一般の場合の証明 一般のコーシーシュワルツの不等式の証明は,初見の方は狐につままれたような気分になるかもしれません.非常にエレガントで唐突な方法で,その上中学校で習う程度の知識しか使いません.知らなければ思いつくことは難しいと思いますが,一見の価値があります. 2351(コーシー・シュワルツの不等式の使い方) | 大学受験 高校数学 ポイント集. 証明: $t$ を実数とする.このとき $$(a_1t-b_1)^2+(a_2t-b_2)^2+\cdots+(a_nt-b_n)^2 \ge 0$$ が成り立つ.左辺を展開すると, $$(a_1^2+\cdots+a_n^2)t^2-2(a_1b_1+\cdots+a_nb_n)t+(b_1^2+\cdots+b_n^2) \ge 0$$ となる.左辺の式を $t$ についての $2$ 次式とみると,$(左辺) \ge 0 $ であることから,その判別式 $D$ は $0$ 以下でなければならない. したがって, $$\frac{D}{4}=(a_1b_1+\cdots+a_nb_n)^2-(a_1^2+\cdots+a_n^2)(b_1^2+\cdots+b_n^2) \le 0$$ ゆえに, $$ (a_1b_1+\cdots+a_nb_n)^2 \le (a_1^2+\cdots+a_n^2)(b_1^2+\cdots+b_n^2)$$ が成り立つ. 等号成立は最初の不等号が等号になるときである.すなわち, $$(a_1t-b_1)^2+(a_2t-b_2)^2+\cdots+(a_nt-b_n)^2 = 0$$ となるような $t$ を選んだときで,これは と同値である.したがって,等号成立条件は,ある実数 $t$ に対して, となることである.
/\overrightarrow{n} \) となります。 したがって\( a:b=x:y\) です。 コーシ―シュワルツの不等式は内積の不等式と実質同じです。 2次方程式の判別式による証明 ややテクニカルですが、すばらしい証明方法です。 私は感動しました! コーシー・シュワルツの不等式とその利用 | 数学のカ. \( t\)を実数とすると,次の式が成り立ちます。この式は強引に作ります! (at-x)^2+(bt-y)^2≧0 \cdots ② この式の左辺を展開して,\( t \) について整理すると &(a^2+b^2)t^2-2(ax+by)t\\ & +(x^2+y^2) ≧0 左辺を\( t \) についての2次式と見ると,判別式\( D \) は\( D ≦ 0 \) でなければなりません。 したがって &\frac{D}{4}=\\ &(ax+by)^2-(a^2+b^2)(x^2+y^2)≦0 これより が成り立ちます。すごいですよね! 等号成立は②の左辺が0になるときなので (at-x)^2=(bt-y)^2=0 x=at, \; y=bt つまり,\( a:b=x:y\)で等号が成立します。 この方法は非常にすぐれていて,一般的なコーシー・シュワルツの不等式 {\displaystyle\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right)}{\displaystyle\left(\sum_{i=1}^n b_i^2\right)}\geq{\displaystyle\left(\sum_{i=1}^n a_ib_i\right)^2} \] の証明にも威力を発揮します。ぜひ一度試してみてほしいと思います。 「数学ってすばらしい」と思える瞬間です!
コーシー・シュワルツの不等式を利用して最小値を求める コーシー・シュワルツの不等式 を利用して,次の関数の最大値と最小値を求めよ. $f(x, ~y)=x+2y$ ただし,$x^2 + y^2 = 1$とする. $f(x, ~y, ~z)=x+2y+3z$ ただし,$x^2 + y^2 + z^2 = 1$とする. $a = 1, b = 2$ とすると, コーシー・シュワルツの不等式より $\blacktriangleleft(ax+by)^2\leqq(a^2+b^2)(x^2+y^2)$ (x+2y)^2\leqq(1^2+2^2)(x^2+y^2) さらに,条件より $x^2 + y^2 = 1$ であるから &\quad(x+2y)^2\leqq5\\ &\Leftrightarrow~-\sqrt{5}\leqq x+2y\leqq\sqrt{5} $\tag{1}\label{kosishuwarutunohutousikisaisyouti1} $ が成り立つ. $\eqref{kosishuwarutunohutousikisaisyouti1}$の等号が成り立つのは x:y=1:2 のときである. $x = k,y = 2k$ とおき,$\blacktriangleleft$ 比例式 の知識を使った $x^2 + y^2 = 1$ に代入すると &k^2+(2k)^2=1\\ \Leftrightarrow~&k=\pm\dfrac{\sqrt{5}}{5} このとき,等号が成り立つ. 以上より,最大値$f\left(\dfrac{\sqrt{5}}{5}, ~\dfrac{2\sqrt{5}}{5}\right)=\boldsymbol{\sqrt{5}}$ , 最小値 $f\left(-\dfrac{\sqrt{5}}{5}, ~-\dfrac{2\sqrt{5}}{5}\right)=\boldsymbol-{\sqrt{5}}$ となる. $a = 1,b = 2,c = 3$ とすると, コーシー・シュワルツの不等式より $\blacktriangleleft(ax+by+cz)^2$ $\leqq(a^2+b^2+c^2)(x^2+y^2+z^2)$ &(x+2y+3z)^2\\ &\leqq(1^2+2^2+3^2)(x^2+y^2+z^2) さらに,条件より $x^2 + y^2 + z^2 = 1$ であるから &(x+2y+3z)^2\leqq14\\ \Leftrightarrow&~-\sqrt{14}\leqq x+2y+3z\leqq\sqrt{14} \end{align} $\tag{2}\label{kosishuwarutunohutousikisaisyouti2}$ が成り立つ.
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
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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