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柯西不等式

 水瓶座的書柜 2015-02-04

柯西不等式

  柯西-施瓦茨不等式,又稱施瓦茨不等式或柯西-布尼亞科夫斯基-施瓦茨不等式,是一條很多場(chǎng)合都用得上的不等式;例如線性代數(shù)矢量,數(shù)學(xué)分析的無(wú)窮級(jí)數(shù)和乘積的積分,和概率論的方差和協(xié)方差。不等式以奧古斯丁·路易·柯西(Augustin Louis Cauchy),赫爾曼·阿曼杜斯·施瓦茨(Hermann Amandus Schwarz),和維克托·雅科夫列維奇·布尼亞科夫斯基(Виктор Яковлевич Буняковский)命名。

柯西不等式是由大數(shù)學(xué)家柯西(Cauchy)在研究數(shù)學(xué)分析中的"留數(shù)"問題時(shí)得到的.但從歷史的角度講,該不等式應(yīng)當(dāng)稱為Cauchy-Buniakowsky-Schwarz不等式,因?yàn)?正是后兩位數(shù)學(xué)家彼此獨(dú)立地在積分學(xué)中推而廣之,并將這一不等式應(yīng)用到近乎完善的地步。

柯西不等式是一個(gè)非常重要的不等式,靈活巧妙的應(yīng)用它,可以使一些較為困難的問題迎刃而解??稍谧C明不等式,解三角形相關(guān)問題,求函數(shù)最值,解方程等問題的方面得到應(yīng)用。

柯西不等式的一般證法有以下幾種:

■①Cauchy不等式的形式化寫法就是:記兩列數(shù)分別是ai, bi,則有 (∑ai^2) * (∑bi^2) ≥ (∑ai *bi)^2.

我們令 f(x) = ∑(ai + x * bi)^2 = (∑bi^2) * x^2 + 2 * (∑ai * bi) * x + (∑ai^2)

則我們知道恒有 f(x) ≥ 0.

二次函數(shù)無(wú)實(shí)根或只有一個(gè)實(shí)根的條件,就有 Δ = 4 * (∑ai * bi)^2 - 4 * (∑ai^2) * (∑bi^2) ≤ 0.

于是移項(xiàng)得到結(jié)論。

■②用向量來(lái)證.

m=(a1,a2......an) n=(b1,b2......bn)

mn=a1b1+a2b2+......+anbn=(a1^2+a2^2+......+an^2)^(1/2)乘以(b1^2+b2^2+......+bn^2)^(1/2)乘以cosX.

因?yàn)閏osX小于等于1,所以:a1b1+a2b2+......+anbn小于等于a1^2+a2^2+......+an^2)^(1/2)乘以(b1^2+b2^2+.....+bn^2)^(1/2)

這就證明了不等式.

柯西不等式還有很多種,這里只取兩種較常用的證法.

柯西不等式在求某些函數(shù)最值中和證明某些不等式時(shí)是經(jīng)常使用的理論根據(jù),我們?cè)诮虒W(xué)中應(yīng)給予極大的重視。

■巧拆常數(shù):

例:設(shè)a、b、c 為正數(shù)且各不相等。

求證: 2/(a+b)+2/(b+c)+2/(c+a)>9/(a+b+c)

分析:∵a 、b 、c 均為正數(shù)

∴為證結(jié)論正確只需證:2*(a+b+c)[1/(a+b)+1/(b+c)+1/(c+a)]>9

而2(a+b+c)=(a+b)+(a+c)+(c+b)

又 9=(1+1+1)(1+1+1)

證明:Θ2(a+b+c)[1/(a+b)+1/(b+c)+1/(c+a)]=[(a+b)+(a+c)+(b+c)][1/(a+b)+1/(b+c)+1/(c+a)]≥(1+1+1)(1+1+1)=9 

又 a、b 、c 各不相等,故等號(hào)不能成立

∴原不等式成立。

像這樣的例子還有很多,詞條里不再一一列舉,大家可以在參考資料里找到柯西不等式的證明及應(yīng)用的具體文獻(xiàn).

柯西1789年8月21日生于巴黎,他的父親路易·弗朗索瓦·柯西是法國(guó)波旁王朝的官員,在法國(guó)動(dòng)蕩的政治漩渦中一直擔(dān)任公職。由于家庭的原因,柯西本人屬于擁護(hù)波旁王朝的正統(tǒng)派,是一位虔誠(chéng)的天主教徒。

1805年柯西進(jìn)入高等工業(yè)學(xué)校學(xué)習(xí),安培是他的一位老師。他原來(lái)打算成為土木工程師,但是他的身體很差,他的朋友拉格朗日拉普拉斯勸他轉(zhuǎn)向搞不要求身體特別好的純粹數(shù)學(xué)。在大學(xué)畢業(yè)后當(dāng)土木工程師,因數(shù)學(xué)上的成就被推薦為科學(xué)院院士,同時(shí)任工科大學(xué)教授。后來(lái)在巴黎大學(xué)任教授,一直到逝世。他信仰羅馬天主教,追隨?;庶h,終生堅(jiān)守氣節(jié)。他在學(xué)術(shù)上成果相當(dāng)多,他的研究是多方面的。在代數(shù)學(xué)上,他有行列式論和群論的創(chuàng)始性的功績(jī);在理論物理學(xué)、光學(xué)、彈性理論等方面,也有顯著的貢獻(xiàn)。他的特長(zhǎng)是在分析學(xué)方面,他對(duì)微積分給出了嚴(yán)密的基礎(chǔ)。他還證明了復(fù)變函數(shù)論的主要定理以及在實(shí)變數(shù)和復(fù)變數(shù)的情況下微分方程解的存在定理,這些都是很重要的。他的全集26卷,僅次于歐拉,居第二位。

柯西是歷史上有數(shù)的大分析學(xué)家之一。幼年時(shí)在父親的教導(dǎo)下學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。拉格朗日、拉普拉斯常和他的父親交往,曾預(yù)言柯西日后必成大器。1815年柯西入理工科大學(xué),1816年成為那里的教授。1830年法王查理十世(他封柯西為男爵)被逐,路易·菲利普稱帝??挛饔捎诰芙^作效忠宣誓,被革去職位,出走國(guó)外。

1838年柯西返回法國(guó),法蘭西學(xué)院給他提供了一個(gè)要職,但是宣誓的要求仍然成為接納他的障礙。1848年路易。菲利普君主政體被推翻,拿破侖一世的侄子路易·拿破侖掌了權(quán)成立了法蘭西第二共和國(guó),宣誓的規(guī)定被廢除,柯西終于成為理工科大學(xué)的教授。1852年發(fā)生政變,共和國(guó)又變成帝國(guó),恢復(fù)了宣誓儀式,唯獨(dú)柯西和阿拉果(D.Arago,1786-1853,法國(guó)物理學(xué)家)可以免除。

1821年,在拉普拉斯和泊松的鼓勵(lì)下,柯西出版了《分析教程》、《無(wú)窮小計(jì)算講義》、《無(wú)窮小計(jì)算在幾何中的應(yīng)用》這幾部劃時(shí)代的著作。他給出了分析學(xué)一系列基本概念的嚴(yán)格定義??挛鞯臉O限定義至今還在普遍使用,連續(xù)、導(dǎo)數(shù)、微分、積分、無(wú)窮級(jí)數(shù)的和等概念也建立在較為堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)上。

現(xiàn)今所謂的柯西定義或ε-δ方法是半個(gè)世紀(jì)后經(jīng)過(guò)維爾斯特拉斯的加工才完成的??挛鲿r(shí)代實(shí)數(shù)的嚴(yán)格理論還未建立起來(lái),因此極限理論也就不可能完成??挛髟?821年提出ε方法(后來(lái)又改成δ),即所謂極限概念的算術(shù)化,把整個(gè)極限過(guò)程用一系列不等式來(lái)刻畫,使無(wú)窮的運(yùn)算化成一系列不等式的推導(dǎo)。后來(lái)維爾斯特拉斯將ε和δ聯(lián)系起來(lái),完成了ε-δ方法。

他在純數(shù)學(xué)和應(yīng)用數(shù)學(xué)的功力是相當(dāng)深厚的,很多數(shù)學(xué)的定理和公式也都以他的名字來(lái)稱呼,如柯西不等式、柯西積分公式...在數(shù)學(xué)寫作上,他是被認(rèn)為在數(shù)量上僅次于歐拉的人,他一生一共著作了789篇論文和幾本書,其中有些還是經(jīng)典之作,不過(guò)并不是他所有的創(chuàng)作質(zhì)量都很高,因此他還曾被人批評(píng)高產(chǎn)而輕率,這點(diǎn)倒是與數(shù)學(xué)王子相反,據(jù)說(shuō),法國(guó)科學(xué)院''會(huì)刊''創(chuàng)刊的時(shí)候,由于柯西的作品實(shí)在太多,以致于科學(xué)院要負(fù)擔(dān)很大的印刷費(fèi)用,超出科學(xué)院的預(yù)算,因此,科學(xué)院后來(lái)規(guī)定論文最長(zhǎng)的只能夠到四頁(yè),所以,柯西較長(zhǎng)的論文只得投稿到其他地方。

柯西在代數(shù)學(xué)、幾何學(xué)、誤差理論以及天體力學(xué)、光學(xué)、彈性力學(xué)諸方面都有出色的工作。特別是,他弄清了彈性理論的基本數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu),為彈性力學(xué)奠定了嚴(yán)格的理論基礎(chǔ)。

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