琴生_jensen_不等式的应用

第19卷第3期2002年5月

杭州教育学院学报

JournalofHangzhouEducationalInstitute

Vol.19No.3文章编号:1008-9403(2002)03-0010-04

琴生(Jensen)不等式的应用

王新力

(浙江经济职业技术学院,浙江杭州)

摘 要:,(Jensen)不等式Λ利用凸函数或微积分

)内(sinx)″Λ(0,Π

x)″>0得到在锐角∃ABC中有tgA+tgB+tgC≥32

3Λ从而说明凸函数或函数在某

区间上二阶导数符号不变时应用琴生不等式可得到一系列不等式,为数学竞赛和初等数学构造一些不等式问题提供了理论依据Λ

关键词:凸函数;琴生不等式;二阶导数符号中图分类号:O174.13     文献标识码:A

  数学竞赛和初等数学中出现的一些不等式,应用琴生不等式来证明,往往比求助于任何一般性的理论要容易得多Λ本文主要就琴生不等式在这方面的应用阐述一些简单而且有用的特别方法Λ

定义1 函数y=f(x)的图象在区间[a,b]上满足:任意两点之间的弦都在这两点之间曲线的弧的上方,则称函数y=f(x)在区间[a,b]上是凸的Ζ

通常,这一定义可用下述等价的定义来代替Ζ

定义2 函数y=f(x)的图象在区间[a,b]上任意两点(x1,f(x1))、(x2,f(x2))联线的中点

一定在曲线的中间点的上方,则称函数y=f(x)在区,f,

2222

间[a,b]上是凸的Ζ

定义2说明了函数在区间上的凸性与不等式

≥f  x1,x2∈[a,b]

22的成立是等价的Ζ

利用数学归纳法,由(1)可以推出对任意x1,x2,……,xn∈[a,b]有

≥f

n

n

(1)

(2)

进一步,我们还可以得到,对一列正数Α1,Α2,…,Αn如果满足Α1+Α2+…+Αn=1则有

Α1f(x1)+Α2f(x2)+…+Αnf(xn)≥f(Α1x1+Α2x2+…+Αnxn)

收稿日期:2001212213

作者简介:王新力(1957-),男,浙江杭州人,浙江经济职业技术学院讲师,主要从事高等数学教学研究工作.

(3)

第3期王新力:琴生(Jensen)不等式的应用

11

(x)≥0或iii)因此如果函数y=f(x)在区间[a,b]上满足:i)是凸函数或ii)f″

f

2

2

对一切x1,x2∈[a,b]成立,则对一切x1,x2,…,xn∈[a,b]有(2)及(3)成立Ζ这就是所谓的

琴生不等式Ζ

如果(1)的不等号反向,这样便得到凹函数Ζ这时同样可以得到不等号反向的(2)和(3)Ζ

琴生不等式还可以推广到多元函数Ζ如果多元函数f(x,y)对指定区域上的任意点(x1,y1)、(x2,y2)[f(x1,y1)+f(x2,y2)]≥f2

则对该区域上的一切点(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)有

满足

2

,

2

(4)

n

[f(x1,y1)+f(x2,y2)+…+f(xn,yn)]≥f

,

nn

(5)

下面给出一些常用的凸函数和凹函数Ζ在[0,+∞上,23,…,x,0,

,

2

,

x

n

均为凸函数Ζ在

上,sinx,cosx,lgsinx,lgcosx2

,也可以帮助构筑这一类问题Ζ

例1 当xi,i=1,2,…,n时有

2

(i)sinx1sinx2…sinxn≤sinn;

n

(ii)cosx1cosx2…cosxn≤cosn

n

[cos(x1-x2)-cos(x1+x2)]≤[1-cos(x1+x2)]=sin2222

得:≤lgsin知lgsinx是凹函数Ζ

22

应用琴生不等式可得:≤lgsin

证:由sinx1sinx2=

nn

即sinx1sinx2…sinxn≤sinn

Ζ

n

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ

例2 在锐角∃ABC中(有不少可推广至任意三角形)有

2

证:由=sincos≤sin知sinx是凹函数Ζ

2222

应用琴生不等式可得:≤sin

33(i)sinA+sinB+sinC≤

;(ii)cosA+cosB+cosC≥

;(iii)tgA+tgB+tgC≥32

3.

即sinA+sinB+sinC≤3sin60

°=

2

Ζ

于是证得(i);(ii)和(iii)的证明是类似的Ζ

例3 在凸四边形ABCD中有

(i).sinsinsinsin≤;

22224

≤22.2222

证:由lgsinx是凹函数,应用琴生不等式可得:

+sin

+sin

+sin

(ii).sin

12

lgsin

杭 州 教 育 学 院 学 报+lgsin

2002年 

=lgsin445°

22

+lgsin

2

+lgsinsin

2

≤4lgsin2sin

8

Ζ4

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ

sin

22

sin

2

上述不等式中,诸角A,B,C等处于对称状态,我们还可以得到角为不对称状态的诸如下列的不等式Ζ例4 若2A+B+3C=Π则有

(i).2sinA+sinB+3sinC≤3; (ii).cos2AcosBcos3C≤

64

证:由sinx是凹函数,应用琴生不等式可得:

≤sin=sin

666

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ

2sinA+sinB+C例5 若ai>0,i=1,2,…,n,(i).

(Α1+

n

Α2+

n)

证:由

Α2

+

n

≥n2;(ii).

n

2

(Α1+2

Α2+…+2

Α≥n)

2

++…+≥

ΑΑΑΑ12n1+Α2+…+Αn

(Α++…+即≥n2.1+Α2+…+Αn)

ΑΑ12n

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ容易看出(ii)式中的ai还可以取负值Ζ

x

(x>0)是凸函数,应用琴生不等式可得:

例6 若a、b、c为任意的正数,则有

abc≥

x

abc

(a+b+c)3

a+b+c

证:利用函数f(x)=lg的凸性,在琴生不等式(3)中,取

x1=

a

,x2=

b

,x3=

c

,Α1=

,Α,Α2=3=

a+b+ca+b+ca+b+c

可以算得:

≥lga+b+c3

由此推得:

abc≥

+

abc

(a+b+c)3

n

a+b+c

.

n

例7 设ai∈R,0≤xi≤1(i=1,2,…,n)且∑ai=1,求证:

i=1

∑1+

i=1

xi

an21+x1xa2…xn

a1

等号

成立当且仅当x1=x2=…=xnΖ

证:若某个xj为0,易知不等式成立Ζ

以下设0

(-∞

数,应用琴生不等式可得:

n

∑1+

i=1

e

yi

aiyi

1+e∑i=1

n

第3期即

王新力:琴生(Jensen)不等式的应用

n

13

∑1+

i=1

xi

a

1+x1xa22…xnn

a1

易知等号成立当且仅当y1=y2=…=yn,即x1=x2=…=xnΖ

例8 设{xi},{yi},i=1,2,…,n是正数序列,则有

x1y1+

x2y2+…+

xnyn≤

(x1+x2+…+xn)(y1+y2+…+yn)

xy

证:容易证明x1y1+x2y2≤(x1+x2)(y1+y2)对任意xi,yi>0成立,这说明f(x,y)=是二元凹函数,应用多元函数的琴生不等式可得:

n

第19卷第3期2002年5月

杭州教育学院学报

JournalofHangzhouEducationalInstitute

Vol.19No.3文章编号:1008-9403(2002)03-0010-04

琴生(Jensen)不等式的应用

王新力

(浙江经济职业技术学院,浙江杭州)

摘 要:,(Jensen)不等式Λ利用凸函数或微积分

)内(sinx)″Λ(0,Π

x)″>0得到在锐角∃ABC中有tgA+tgB+tgC≥32

3Λ从而说明凸函数或函数在某

区间上二阶导数符号不变时应用琴生不等式可得到一系列不等式,为数学竞赛和初等数学构造一些不等式问题提供了理论依据Λ

关键词:凸函数;琴生不等式;二阶导数符号中图分类号:O174.13     文献标识码:A

  数学竞赛和初等数学中出现的一些不等式,应用琴生不等式来证明,往往比求助于任何一般性的理论要容易得多Λ本文主要就琴生不等式在这方面的应用阐述一些简单而且有用的特别方法Λ

定义1 函数y=f(x)的图象在区间[a,b]上满足:任意两点之间的弦都在这两点之间曲线的弧的上方,则称函数y=f(x)在区间[a,b]上是凸的Ζ

通常,这一定义可用下述等价的定义来代替Ζ

定义2 函数y=f(x)的图象在区间[a,b]上任意两点(x1,f(x1))、(x2,f(x2))联线的中点

一定在曲线的中间点的上方,则称函数y=f(x)在区,f,

2222

间[a,b]上是凸的Ζ

定义2说明了函数在区间上的凸性与不等式

≥f  x1,x2∈[a,b]

22的成立是等价的Ζ

利用数学归纳法,由(1)可以推出对任意x1,x2,……,xn∈[a,b]有

≥f

n

n

(1)

(2)

进一步,我们还可以得到,对一列正数Α1,Α2,…,Αn如果满足Α1+Α2+…+Αn=1则有

Α1f(x1)+Α2f(x2)+…+Αnf(xn)≥f(Α1x1+Α2x2+…+Αnxn)

收稿日期:2001212213

作者简介:王新力(1957-),男,浙江杭州人,浙江经济职业技术学院讲师,主要从事高等数学教学研究工作.

(3)

第3期王新力:琴生(Jensen)不等式的应用

11

(x)≥0或iii)因此如果函数y=f(x)在区间[a,b]上满足:i)是凸函数或ii)f″

f

2

2

对一切x1,x2∈[a,b]成立,则对一切x1,x2,…,xn∈[a,b]有(2)及(3)成立Ζ这就是所谓的

琴生不等式Ζ

如果(1)的不等号反向,这样便得到凹函数Ζ这时同样可以得到不等号反向的(2)和(3)Ζ

琴生不等式还可以推广到多元函数Ζ如果多元函数f(x,y)对指定区域上的任意点(x1,y1)、(x2,y2)[f(x1,y1)+f(x2,y2)]≥f2

则对该区域上的一切点(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)有

满足

2

,

2

(4)

n

[f(x1,y1)+f(x2,y2)+…+f(xn,yn)]≥f

,

nn

(5)

下面给出一些常用的凸函数和凹函数Ζ在[0,+∞上,23,…,x,0,

,

2

,

x

n

均为凸函数Ζ在

上,sinx,cosx,lgsinx,lgcosx2

,也可以帮助构筑这一类问题Ζ

例1 当xi,i=1,2,…,n时有

2

(i)sinx1sinx2…sinxn≤sinn;

n

(ii)cosx1cosx2…cosxn≤cosn

n

[cos(x1-x2)-cos(x1+x2)]≤[1-cos(x1+x2)]=sin2222

得:≤lgsin知lgsinx是凹函数Ζ

22

应用琴生不等式可得:≤lgsin

证:由sinx1sinx2=

nn

即sinx1sinx2…sinxn≤sinn

Ζ

n

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ

例2 在锐角∃ABC中(有不少可推广至任意三角形)有

2

证:由=sincos≤sin知sinx是凹函数Ζ

2222

应用琴生不等式可得:≤sin

33(i)sinA+sinB+sinC≤

;(ii)cosA+cosB+cosC≥

;(iii)tgA+tgB+tgC≥32

3.

即sinA+sinB+sinC≤3sin60

°=

2

Ζ

于是证得(i);(ii)和(iii)的证明是类似的Ζ

例3 在凸四边形ABCD中有

(i).sinsinsinsin≤;

22224

≤22.2222

证:由lgsinx是凹函数,应用琴生不等式可得:

+sin

+sin

+sin

(ii).sin

12

lgsin

杭 州 教 育 学 院 学 报+lgsin

2002年 

=lgsin445°

22

+lgsin

2

+lgsinsin

2

≤4lgsin2sin

8

Ζ4

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ

sin

22

sin

2

上述不等式中,诸角A,B,C等处于对称状态,我们还可以得到角为不对称状态的诸如下列的不等式Ζ例4 若2A+B+3C=Π则有

(i).2sinA+sinB+3sinC≤3; (ii).cos2AcosBcos3C≤

64

证:由sinx是凹函数,应用琴生不等式可得:

≤sin=sin

666

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ

2sinA+sinB+C例5 若ai>0,i=1,2,…,n,(i).

(Α1+

n

Α2+

n)

证:由

Α2

+

n

≥n2;(ii).

n

2

(Α1+2

Α2+…+2

Α≥n)

2

++…+≥

ΑΑΑΑ12n1+Α2+…+Αn

(Α++…+即≥n2.1+Α2+…+Αn)

ΑΑ12n

于是证得(i);(ii)的证明是类似的Ζ容易看出(ii)式中的ai还可以取负值Ζ

x

(x>0)是凸函数,应用琴生不等式可得:

例6 若a、b、c为任意的正数,则有

abc≥

x

abc

(a+b+c)3

a+b+c

证:利用函数f(x)=lg的凸性,在琴生不等式(3)中,取

x1=

a

,x2=

b

,x3=

c

,Α1=

,Α,Α2=3=

a+b+ca+b+ca+b+c

可以算得:

≥lga+b+c3

由此推得:

abc≥

+

abc

(a+b+c)3

n

a+b+c

.

n

例7 设ai∈R,0≤xi≤1(i=1,2,…,n)且∑ai=1,求证:

i=1

∑1+

i=1

xi

an21+x1xa2…xn

a1

等号

成立当且仅当x1=x2=…=xnΖ

证:若某个xj为0,易知不等式成立Ζ

以下设0

(-∞

数,应用琴生不等式可得:

n

∑1+

i=1

e

yi

aiyi

1+e∑i=1

n

第3期即

王新力:琴生(Jensen)不等式的应用

n

13

∑1+

i=1

xi

a

1+x1xa22…xnn

a1

易知等号成立当且仅当y1=y2=…=yn,即x1=x2=…=xnΖ

例8 设{xi},{yi},i=1,2,…,n是正数序列,则有

x1y1+

x2y2+…+

xnyn≤

(x1+x2+…+xn)(y1+y2+…+yn)

xy

证:容易证明x1y1+x2y2≤(x1+x2)(y1+y2)对任意xi,yi>0成立,这说明f(x,y)=是二元凹函数,应用多元函数的琴生不等式可得:

n


相关文章

  • 凸函数的性质和一些不等式的证明
  • 毕 业 论 文 论文题目:凸函数的性质和一些不等式的证明 作者姓名: XXX 专 业: 数学教育 主考学校:兰州大学数学与统计学学院__ 准考证号: XXXXXXXXXXXX 指导教师姓名职称: XXX 甘肃省高等教育自学考试办公室印制 2 ...查看


  • (完整版)关于均值不等式的探讨本科毕业设计
  • 渤海大学本科毕业论文 渤海大学本科毕业论文题目 关于均值不等式的探讨 The Subject of Undergraduate Graduation Project of DUT DISCUSSION ON INEQUALITY 学院(系) ...查看


  • 凸函数的性质及其应用
  • 中文题目:凸函数的性质及其应用 英文题目:The Property and Applications of Convex Functions 完 成 人: 指导教师: 系(院)别:数学与信息科技学院 专业.班级:数学与应用数学0602班 完 ...查看


  • 凸函数及其相关的一些重要不等式
  • 民营科技 文化教育 凸函数及其相关的一些重要不等式 王磊 (哈尔滨航运学校,黑龙江哈尔滨150000) 摘要:讨论了凸函数的有关内容.凸函数与连续函数.可微函数.可积函数之间有着紧密的联系,具有很强烈的几何背景.直观上看它的图像 是向下鼓鼓 ...查看


  • 基金业绩评价方法综述
  • 基金业绩评价方法综述 鹏元资信评估有限公司 张智英 60年代以前,国外对投资基金的业绩评价,主要是评价基金单位净值和基金收益率.那时,没有人对风险这一抽象的概念给出一种具体的度量方法,自然也不可能将风险因素纳入基金业绩评价.直到1952年, ...查看


  • 凸函数的性质及其应用 1
  • 摘 要 高等数学的重点研究对象凸函数是数学学科中的一个最基本的概念.凸函数的许多良好性质在数学中都有着非常重要的作用.凸函数在数学,对策论,运筹学,经济学以及最优控制论等学科都有非常广泛的应用,现在已经成为了这些学科的重要理论基础和强有力的 ...查看


  • 股骨粗隆间骨折分类标准
  • 股骨粗隆间骨折又名股骨转子间骨折,是老年人常见的骨折.随着社会的老龄化,人均寿命的延长,骨质疏松人数的增加,老年人发生股骨粗隆间骨折的概率呈上升趋势.仔细研究股骨粗隆间骨折的分型有利于对骨折程度作出更准确的评价,以选择更加适合的治疗方法和判 ...查看


  • 2012高中数学竞赛--凸函数与琴生不等式
  • 高中数学竞赛选讲--凸函数与琴生不等式 作者 阿道夫 2012.10.12 1.定义:设f(x)在区间I上有定义,如果对任意x1,x2I和实数(0,1)总有 f(x1(1)x2)f(x1)(1)f(x2) (1) 成 ...查看


  • 函数的凸性与拐点
  • 函数的凸性与拐点 教学目的:熟练掌握函数凸性的相关定义定理以及判别函数凸性与拐点的方法. 重点难点:重点为对函数凸性概念的理解,难点为函数凸性相关命题的证明. 教学方法:讲练结合. 考察函数f (x ) =x 2和f (x ) = x 的图 ...查看


热门内容