Kvant
Câu lạc bộ toán học

Các biến thể về chủ đề của bất đẳng thức cổ điển

Севрюк М. Б.

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

18

Sự thay đổi về chủ đề của bất đẳng thức cổ điển

Ghi chú này được viết bởi học sinh lớp 10 Misha Sevriok dựa trên báo cáo của em tại hội nghị Trường Moscow số 2. Nó chứng minh những bất đẳng thức mà tác giả đã tìm ra, những bất đẳng thức dễ thấy và khái quát về trung bình số học và trung bình hình học. Tất nhiên, chúng không phải là mới: trong các lĩnh vực toán học cổ điển, thực tế không có “điểm trống” nào có thể đạt được nếu không được đào tạo về máy chủ. Ví dụ, bằng chứng về các bất đẳng thức đã đề cập có trong cuốn sách tuyệt vời nhưng khó tiếp cận của Hardy, Leathwood và Polyan *); tuy nhiên, các chứng minh tổ hợp thuần túy của M. Sevriok là nguyên bản và đơn giản hơn đáng kể.

Những bất đẳng thức thuộc loại này cũng được nhiều độc giả khác của chúng tôi quan tâm. Ngoài ghi chú của M. Sevriok, trong số này chúng tôi xuất bản dưới dạng bài toán (M565) bất đẳng thức Maclaurin, các chứng minh thú vị được gửi bởi M. Rosenberg, cũng như bài toán P. Vinokur, cho thấy khả năng ứng dụng của bất đẳng thức loại này trong nhiều tình huống khác nhau.

Trong thời đại máy tính điện tử của chúng ta, thật vui khi biết rằng nghệ thuật sống động của các phép biến đổi đại số vẫn không mất đi sự hấp dẫn và không ngừng hữu ích…

Ngay cả người Hy Lạp cổ đại cũng biết rằng trung bình hình học ab\sqrt{ab} của hai số không âm không vượt quá trung bình số học a+b2\frac{a+b}{2} của chúng. Định lý này đúng với mọi số không âm a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n:

1n(a1+⋯+an)≥(a1…an)1/n\frac{1}{n} (a_1 + \cdots + a_n) \geq (a_1 \dots a_n)^{1/n}

(sự bình đẳng chỉ xảy ra khi tất cả aia_i khớp); nó sẽ làm cơ sở cho mọi thứ tiếp theo.

Chuỗi bất đẳng thức đầu tiên

Ở đây, như trước đây, a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n là các số không âm tùy ý. Ngoài tổng S1S_1 của tất cả aia_i riêng biệt, như trong bất đẳng thức (1), chúng ta sẽ quan tâm đến tổng các tích cặp có thể có của chúng S2=a1a2+a1a3+⋯+an−1anS_2 = a_1 a_2 + a_1 a_3 + \dots + a_{n-1} a_n,

tổng các tích có thể có của ba

S3=a1a2a3+a1a2a4+⋯+an−2an−1anS_3 = a_1 a_2 a_3 + a_1 a_2 a_4 + \dots + a_{n-2} a_{n-1} a_n

và nói chung là tổng SkS_k sản phẩm của họ trên kk thành phần (k≤nk \leq n). Tương tự, ngoài tích P1P_1 của tất cả aia_i riêng lẻ, chúng ta sẽ quan tâm đến tích của tất cả các tổng theo cặp có thể có

P2=(a1+a2)(a1+a3)……(an−1+an)P_2 = (a_1 + a_2) (a_1 + a_3) \dots \dots (a_{n-1} + a_n)

tích của tổng ba

P3=(a1+a2+a3)(a1+a2+a4)……(an−2+an−1+an)P_3 = (a_1 + a_2 + a_3) (a_1 + a_2 + a_4) \dots \dots (a_{n-2} + a_{n-1} + a_n)

và nói chung là tích PkP_k của tổng của chúng trên kk số hạng (k≤nk \leq n).

Hóa ra các đại lượng SkS_k và PkP_k cho k=1,2,…,nk=1, 2, \dots, n có ​​thể có các giới hạn trên và giới hạn dưới sau (theo S1=a1+⋯+anS_1 = a_1 + \dots + a_n và P1=a1…anP_1 = a_1 \dots a_n):

Cnk(S1n)k≥Sk≥CnkPkknC_n^k \left( \frac{S_1}{n} \right)^k \geq S_k \geq C_n^k P_k^{\frac{k}{n}}

(kn)CnkS1Cnk≥Pk≥kCnkP1kn\left( \frac{k}{n} \right)^{C_n^k} S_1^{C_n^k} \geq P_k \geq k^{C_n^k} P_1^{\frac{k}{n}}

Mở rộng việc ghi lại các công thức này trông rất nội bộ. Đừng tự bắn mình! Tốt hơn hết hãy giải mã một trong những công thức này (đối với các giá trị cụ thể, không quá lớn của k,nk, n) và bạn sẽ thấy rằng tất cả những điều này không quá đáng sợ. Ví dụ: với k=3,n=4k=3, n=4, biểu mẫu

19

mula (I2)(I_2) trông như thế này:

4(a1+a2+a3+a44)3≥a1a2a3+a1a2a4+a1a3a4+a2a3a4≥4(a1a2a3a4)3/4.4 \left( \frac{a_1 + a_2 + a_3 + a_4}{4} \right)^3 \geq a_1 a_2 a_3 + a_1 a_2 a_4 + a_1 a_3 a_4 + a_2 a_3 a_4 \geq 4 \left( a_1 a_2 a_3 a_4 \right)^{3/4}.

Tại k=1k=1 các bất đẳng thức (I2)(I_2), (II1)(II_1) chuyển thành (1)(1); (I1)(I_1) và (II2)(II_2) trở thành (1)(1) tại k=nk=n (kiểm tra!). Như vậy, cả bốn bất đẳng thức (I)(I), (II)(II) đều có thể coi là dạng tổng quát hóa của bất đẳng thức (1)(1).

Chứng minh bất đẳng thức (I2)(I_2). Để ngắn gọn, chúng ta hãy đặt C=CnkC = C_n^k và bằng p~1,p~2,…,p~Cnk\tilde{p}_1, \tilde{p}_2, \dots, \tilde{p}_{C_n^k} chúng ta biểu thị các số hạng của tổng SkS_k (trên thực tế, có C=CnkC = C_n^k trong số chúng). Vì SkC\frac{S_k}{C} là trung bình số học của các số p~1,p~2,…,p~c\tilde{p}_1, \tilde{p}_2, \dots, \tilde{p}_c, theo (1)

SkC≥(p~1p~2…p~c)1/C.\frac{S_k}{C} \geq \left( \tilde{p}_1 \tilde{p}_2 \dots \tilde{p}_c \right)^{1/C}.

Mỗi aia_i là thành phần của chính xác Cn−1k−1C_{n-1}^{k-1} các số p~1,p~2,…,p~c\tilde{p}_1, \tilde{p}_2, \dots, \tilde{p}_c. Vì vậy, (p~1p~2…p~c)1/C=P1v\left( \tilde{p}_1 \tilde{p}_2 \dots \tilde{p}_c \right)^{1/C} = P_1^v, ở đâu v=Cn−1k−1C=Cn−1k−1Cnk=knv = \frac{C_{n-1}^{k-1}}{C} = \frac{C_{n-1}^{k-1}}{C_n^k} = \frac{k}{n}. Do đó, SkC≥P1k/n\frac{S_k}{C} \geq P_1^{k/n}, tức là Sk≥CP1k/nS_k \geq CP_1^{k/n}, là điều bắt buộc.

Đẳng thức trong (I2)(I_2) xảy ra khi k=nk=n, khi a1=⋯=ana_1 = \dots = a_n hoặc khi ít nhất n−k+1n-k+1 số từ tập hợp {a1,a2,…,an}\{a_1, a_2, \dots, a_n\} bằng 0.

Chứng minh bất đẳng thức (II2)(II_2). Chúng ta hãy biểu thị bằng s~1,s~2,…,s~C\tilde{s}_1, \tilde{s}_2, \dots, \tilde{s}_C các thành phần của sản phẩm PkP_k (như trước C=CnkC = C_n^k). Chúng ta hãy đặt q=kCq = k^C cho ngắn gọn. Ở phía bên trái của bất đẳng thức, tức là trong biểu thức PkP_k, chúng ta mở ngoặc. Chúng ta thu được tổng qq số hạng, mỗi số hạng là tích của CC số từ tập hợp {a1,a2,…,an}\{a_1, a_2, \dots, a_n\}, lấy một số từ mỗi s~i\tilde{s}_i. Trong tích của các số hạng này, mỗi aia_i chứa một thành phần, do tính đối xứng, có cùng số lần (chúng tôi biểu thị số này bằng μ\mu). Do đó tích này bằng P1μP_1^\mu, do đó

Pkq=(P1μ)1/q,\frac{P_k}{q} = \left( P_1^\mu \right)^{1/q},

hơn nữa, sự bình đẳng diễn ra khi và chỉ nếu tất cả các số hạng qq của chúng ta đều bằng nhau, đặc biệt là xảy ra với a1=⋯=ana_1 = \dots = a_n; sử dụng cái này, tìm μ\mu.

Hãy để a1=a2=⋯=an=2a_1 = a_2 = \dots = a_n = 2. Khi đó trong (2) đẳng thức s~1=s~2=⋯=s~C=2k,P1=2n\tilde{s}_1 = \tilde{s}_2 = \dots = \tilde{s}_C = 2k, P_1 = 2^n giữ nguyên, do đó (2k)Cq=(2n)μq,2C=2nμq,μ=Cqn\frac{(2k)^C}{q} = \left( 2^n \right)^{\frac{\mu}{q}}, 2^C = 2^{\frac{n\mu}{q}}, \mu = \frac{Cq}{n}.

Thay giá trị này vào (2), chúng ta thu được (II2)(II_2).

Rõ ràng là sự bằng nhau xảy ra khi k=1k=1 hoặc khi a1=⋯=ana_1 = \dots = a_n hoặc khi ít nhất kk số từ tập hợp {a1,a2,…,an}\{a_1, a_2, \dots, a_n\} bằng 0.

Để chứng minh bất đẳng thức (I1)(I_1) ta cần đến bất đẳng thức Maclaurin. Hãy đặt Sk=SkCnkS_k = \frac{S_k}{C_n^k}. Sau đó

Sˉ1≥Sˉ212≥Sˉ313≥⋯≥Sˉn1n\bar{S}_1 \geq \bar{S}_2^{\frac{1}{2}} \geq \bar{S}_3^{\frac{1}{3}} \geq \dots \geq \bar{S}_n^{\frac{1}{n}}

(nếu tất cả aia_i đều dương và không phải tất cả aia_i đều giống nhau thì hãy nhập dấu dừng >).

Chứng minh của bất đẳng thức này có thể tìm thấy trong HLP, trang 69 *).

Chứng minh bất đẳng thức (I1)(I_1) ngay sau đây từ (3). Quả thực SkC−1=Sˉk,S1n−1=Sˉ1S_k C^{-1} = \bar{S}_k, S_1 n^{-1} = \bar{S}_1, vì Cnk=nC_n^k = n. Điều này có nghĩa là (I1)(I_1) có dạng Sˉ1≥Sˉk1k\bar{S}_1 \geq \bar{S}_k^{\frac{1}{k}} và được chứa trong (3).

Hãy tự chứng minh điều đó bằng cách sử dụng bất đẳng thức Maclaurin cho (I2)(I_2).

Bất đẳng thức (II1)(II_1) được chứng minh tương tự như (I2)(I_2); Chúng tôi để lại bằng chứng này cho người đọc.

Điều kiện đẳng thức trong (I1)(I_1): a1=a2=⋯=ana_1 = a_2 = \dots = a_n hoặc k=1k=1, trong (II1)(II_1): a1=a2=⋯=ana_1 = a_2 = \dots = a_n hoặc k=nk=n.

*) Một bằng chứng khác do M. Rosenberg gửi sẽ được công bố dưới dạng lời giải bài toán M565.

20

Chuỗi bất đẳng thức thứ hai

Ở đây a1,a2,…,an−na_1, a_2, \dots, a_n - n là các số x dương. Hãy để chúng tôi giới thiệu ký hiệu sau (chúng tôi giả sử rằng k≤n−1k \leq n - 1):

Σi=s~iS1−s~i,\Sigma_i = \frac{\tilde{s}_i}{S_1 - \tilde{s}_i},

Πi=p~iP1−p~i(i=1,2,…,C=Cnk).\Pi_i = \frac{\tilde{p}_i}{P_1 - \tilde{p}_i} \left( i = 1, 2, \dots, C = C_n^k \right).

Chúng tôi quan tâm đến ranh giới của những thay đổi trong giá trị ∗^* Σ1+Σ2+⋯+ΣC,Π1+Π2+⋯+ΠC,Σ1Σ2…ΣC,Π1Π2…ΠC\Sigma_1 + \Sigma_2 + \dots + \Sigma_C, \Pi_1 + \Pi_2 + \dots + \Pi_C, \Sigma_1 \Sigma_2 \dots \Sigma_C, \Pi_1 \Pi_2 \dots \Pi_C. Hóa ra các giới hạn này của biểu thức Σ1Σ2…ΣC\Sigma_1 \Sigma_2 \dots \Sigma_C phụ thuộc vào kk; chính xác:

при k∈[1,n2]имеем\text{при } k \in \left[ 1, \frac{n}{2} \right] \quad \text{имеем}
Σ1……ΣC∈[0,(kn−k)C],(III1)\Sigma_1 \dots \dots \Sigma_C \in \left[ 0, \left( \frac{k}{n-k} \right)^C \right], \quad (\text{III}_1)

при k=n2(если n четно)\text{при } k = \frac{n}{2} \quad \text{(если } n \text{ четно)}
Σ1……ΣC=1,(III2)\Sigma_1 \dots \dots \Sigma_C = 1, \quad (\text{III}_2)

при k∈[n2,n−1]имеем\text{при } k \in \left[ \frac{n}{2}, n-1 \right] \quad \text{имеем}
Σ1……ΣC∈[(kn−k)C,+∞].(III3)\Sigma_1 \dots \dots \Sigma_C \in \left[ \left( \frac{k}{n-k} \right)^C, +\infty \right]. \quad (\text{III}_3)

Bằng chứng cho lời khai (III3_3). Hãy gọi quan hệ loại thứ nhất là quan hệ từ nn số a1,a2,…,ana_1, a_2, \dots, a_n đến kk, quan hệ loại thứ hai - quan hệ từ cùng số đến n−kn-k. Cũng sẽ có CC, kể từ Cnk=Cnn−kC_n^k = C_n^{n-k}. Phần bên trong của quan hệ loại thứ hai theo thứ tự tùy ý và tổng các số trong quan hệ loại thứ ii sẽ được ký hiệu là s~i′\tilde{s}_i'. Rõ ràng là s~1′⋅s~2′…s~C′=(S1−s~1)×(S1−s~2)…(S1−s~C)\tilde{s}_1' \cdot \tilde{s}_2' \dots \tilde{s}_C' = \left( S_1 - \tilde{s}_1 \right) \times \left( S_1 - \tilde{s}_2 \right) \dots \left( S_1 - \tilde{s}_C \right). Chúng ta hãy xem xét một mối quan hệ tùy ý thuộc loại thứ nhất với số i−(ai1,ai2,…,aik)i - \left( a_{i_1}, a_{i_2}, \dots, a_{i_k} \right). Từ k>n2k > \frac{n}{2} suy ra k>n−kk > n-k và từ các số có trong quan hệ này, có thể tạo ra các quan hệ Cnn−kC_n^{n-k} thuộc loại thứ hai (với một số số γ1,γ2,…,γR\gamma_1, \gamma_2, \dots, \gamma_R, trong đó R=Cnn−kR = C_n^{n-k}) và mỗi số từ tập hợp {ai1,ai2,…,aik}\{ a_{i_1}, a_{i_2}, \dots, a_{i_k} \} sẽ được đưa vào chính xác Cnn−k−1C_n^{n-k-1} các quan hệ thuộc loại thứ hai như vậy. Vì vậy, Cnn−k−1s~i=s~γ1′+s~γ2′+⋯+s~γR′C_n^{n-k-1} \tilde{s}_i = \tilde{s}'_{\gamma_1} + \tilde{s}'_{\gamma_2} + \dots + \tilde{s}'_{\gamma_R}.

Từ (1) và (4) suy ra Cnn−k−1s~i≥R(s~γ1′s~γ2′…s~γR′)1/RC_n^{n-k-1} \tilde{s}_i \geq R \left( \tilde{s}'_{\gamma_1} \tilde{s}'_{\gamma_2} \dots \tilde{s}'_{\gamma_R} \right)^{1/R}. (5)

*) Những đại lượng này rất thú vị cho một số câu hỏi trong lý thuyết xác suất (ed.).