(この方法以外にも,帰納法でも証明できます.それは別の記事で紹介します.) 任意の実数\(t\)に対して,
f(t)=\sum_{k=1}^{n}(a_kt+b_k)^2\geqq 0
が成り立つ(実数の2乗は非負). 左辺を展開すると,
\left(\sum_{k=1}^{n}a_k^2\right)t^2+2\left(\sum_{k=1}^{n}a_kb_k\right)t+\left(\sum_{k=1}^{n}b_k^2\right)\geqq 0
これが任意の\(t\)について成り立つので,\(f(t)=0\)の判別式を\(D\)とすると\(D/4\leqq 0\)が成り立ち,
\left(\sum_{k=1}^{n}a_kb_k\right)^2-\left(\sum_{k=1}^{n}a_k^2\right)\left(\sum_{k=1}^{n}b_k^2\right)\leqq 0
よって,
\left(\sum_{k=1}^{n} a_k^2\right)\left(\sum_{k=1}^{n} b_k^2\right)\geqq\left(\sum_{k=1}^{n} a_kb_k\right)^2
その他の形のコーシー・シュワルツの不等式
コーシー・シュワルツの不等式というと上で紹介したものが有名ですが,実はほかに以下のようなものがあります. 1. (複素数)
\(\displaystyle \left(\sum_{k=1}^{n} |\alpha_k|^2\right)\left(\sum_{k=1}^{n}|\beta_k|^2\right)\geqq\left|\sum_{k=1}^{n}\alpha_k\beta_k\right|^2\)
\(\alpha_k, \beta_k\)は複素数で,複素数の絶対値は,\(\alpha=a+bi\)に対して\(|\alpha|^2=a^2+b^2\). コーシー・シュワルツの不等式|思考力を鍛える数学. 2. (定積分)
\(\displaystyle \int_a^b \sum_{k=1}^n \left\{f_k(x)\right\}^2dx\cdot\int_a^b\sum_{k=1}^n \left\{g_k(x)\right\}^2dx\geqq\left\{\int_a^b\sum_{k=1}^n f_k(x)g_k(x)dx\right\}^2\)
但し,閉区間[a, b]で\(f_k(x), g_k(x)\)は連続かつ非負,また,\(a 2016/4/12
2020/6/5
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 4 分 57 秒
コーシー・シュワルツ(Cauchy-Schwartz)の不等式
・\((a^2+b^2)(x^2+y^2)\geqq (ax+by)^2\)
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. 和の記号を使って表すと,
\[ \left(\sum_{k=1}^{n} a_k^2\right)\left(\sum_{k=1}^{n} b_k^2\right)\geqq\left(\sum_{k=1}^{n} a_kb_k\right)^2\]
となります. 例題. 問. \(x^2+y^2=1\)を満たすように\(x, y\)を変化させるとき,\(2x+3y\)の取り得る最大値を求めよ. このタイプの問題は普通は\(2x+3y=k\)とおいて,この式を直線の方程式と見なすことで,円\(x^2+y^2=1\)と交点を持つ状態で動かし,直線の\(y\)切片の最大値を求める,ということをします. コーシーシュワルツの不等式の使い方を分かりやすく解説！｜あ、いいね！. しかし, コーシー・シュワルツの不等式を使えば簡単に解けます. コーシー・シュワルツの不等式より,
\begin{align}
(2^2+3^2)(x^2+y^2)\geqq (2x+3y)^2
\end{align}
ところで,\(x^2+y^2=1\)なので上の不等式の左辺は\(13\)となり,
13\geqq(2x+3y)^2
よって,
2x+3y \leqq \sqrt{13}
となり最大値は\(\sqrt{13}\)となります. コーシー・シュワルツの不等式の証明. この不等式にはきれいな証明方法があるので紹介します. コーシー・シュワルツの不等式は、大学入試でもよく取り上げられる重要な不等式 です。
今回は\( n=2 \) の場合のコーシー・シュワルツの不等式を、4通りの方法で証明をしていきます。
コーシーシュワルツの不等式の使い方については、以下の記事に詳しく解説しました。
コーシーシュワルツの不等式の使い方を分かりやすく解説! この記事では、数学検定1級を所持している管理人が、コーシーシュワルツの不等式の使い方について分かりやすく...
コーシ―・シュワルツの不等式
\[
{\displaystyle(\sum_{i=1}^n a_i^2)}{\displaystyle(\sum_{i=1}^n b_i^2)}\geq{\displaystyle(\sum_{i=1}^n a_ib_i)^2} \]
(\( n=2 \) の場合)
(a^2+b^2)(x^2+y^2)≧(ax+by)^2%&(a^2+b^2+c^2)(x^2+y^2+z^2)\geq(ax+by+cz)^2
\]
しっかりと覚えて、入試で使いこなしたい不等式なのですが、この不等式、ちょっと覚えにくいですよね。
実は、 コーシー・シュワルツの不等式の本質は内積と同じです。
したがって、 内積を使ってこの不等式を導く方法を身につけることで、確実に覚えやすくなるはずです。
また、この不等式を 2次方程式の判別式 で証明する方法もあります。私が初めてこの証明方法を知ったときは 感動しました! とても興味深い証明方法です。
様々な導き方を身につけて数学の世界が広げていきましょう! 数学の良さや美しさを感じられる問題に出会えることは、この上ない喜びでもあります。
今回は証明方法についてでしたが、今後はコーシー・シュワルツの不等式の問題への適用方法についてもまとめてみたいと思っています。
最後までお読みいただき、ありがとうございました。 これがインスピレーション出来たら、今後、コーシーシュワルツの不等式は自力で復元できるようになっているはずです。
頑張ってみましょう。
解答はコチラ
- 実践演習, 方程式・不等式・関数系
- 不等式 覚えなくていい「ベクトル」2(内積) - 算数は得意なのに数学が苦手なひとのためのブログ
のつづきです。 コーシーシュワルツの不等式ってあまり聞きなれないかもしれないけど、当たり前の式だからなんてことないです。
コーシーシュワルツの不等式は
または
っていう複雑な式だけど
簡単にいえば,
というだけ。 内積 は長さの積以下であるというのは自明です。簡単ですね。 コーシーシュワルツの不等式使い方【頭の中】
まず、問題で与えられた不等式の左辺と右辺を反対にしてみます。
\[ k\sqrt{2x+y}≧\sqrt{x}+\sqrt{y}\]
この不等式の両辺は正なので2乗すると
\[ k^2(2x+y)≧(\sqrt{x}+\sqrt{y})^2\]
この式をコーシ―シュワルツの不等式と見比べます。
ここでちょっと試行錯誤をしてみましょう。
例えば、右辺のカッコ内の式を\( 1\cdot \sqrt{x}+1\cdot \sqrt{y}\)とみて、コーシ―シュワルツの不等式を適用すると
(1^2+1^2) \{ (\sqrt{x})^2+(\sqrt{y})^2 \} \\
≧( 1\cdot \sqrt{x}+1\cdot \sqrt{y})^2
\[ 2\underline{(x+y)}≧(\sqrt{x}+\sqrt{y})^2 \]
上手くいきません。実際にはアンダーラインの部分を\( 2x+y \) にしたいので、少し強引ですが次のように調整します。
\left\{ \left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right)^{\! \! 2}+1^2 \right\} \left\{ (\sqrt{2x})^2+(\sqrt{y})^2\right\} \\
≧\left( \frac{1}{\sqrt{2}}\cdot \! \sqrt{2x}+1\cdot \! \sqrt{y}\right)^2
これより
\frac{3}{2} (2x+y)≧(\sqrt{x}+\sqrt{y})^2
両辺を2分の1乗して
\sqrt{\frac{3}{2}} \sqrt{2x+y}≧\sqrt{x}+\sqrt{y}
\frac{\sqrt{x}+\sqrt{y}}{\sqrt{2x+y}}≦ \frac{\sqrt{6}}{2}
ここで、問題文で与えられた式を変形してみると
\frac{\sqrt{x}+\sqrt{y}}{\sqrt{2x+y}}≦ k
ですので、最小値の候補は\( \displaystyle{\frac{\sqrt{6}}{2}} \) となります。
次に等号について調べます。
\frac{\sqrt{2x}}{\frac{1}{\sqrt{2}}}=\frac{\sqrt{y}}{1}
より\( y=4x \)
つまり\( x:y=1:4\)のとき等号が成り立ちます。
これより\( k\) の最小値は\( \displaystyle{\frac{\sqrt{6}}{2}} \)で確定です。
コーシーシュワルツの不等式の使い方 まとめ
今回は\( n=2 \) の場合について、コーシ―シュワルツの不等式の使い方をご紹介しました。
コーシ―シュワルツの不等式が使えるのは主に次の場合です。
こんな場合に使える! 映画や国内外のドラマ、雑誌や電子書籍など、暇つぶしにもってこいですよね。
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☆『パラサイト 半地下の家族』冒頭映像
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#パラサイト #ポンジュノ #半地下の家族
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