柯西不等式各种形式的证明及其应用
柯西不等式各种形式的证明及其应用(一)
柯西不等式各种形式的证明及其应用(一)柯西不等式各种形式的证明及其应用1. 柯西不等式的原始形式证明•柯西不等式的原始形式为：对任意的实数序列a1,a2,...,a n和b1,b2,...,b n，有下列不等式成立：(a1b1+a2b2+...+a n b n)2≤(a12+a22+...+a n2)(b12+b22+...+b n2)•证明思路：1.定义辅助函数f(t)=(a1t+a2t+...+a n t)2−(a12t2+a22t2+...+a n2t2)。
2.利用二次函数的性质证明f(t)≥0，即可得到柯西不等式的原始形式。
2. 柯西不等式的向量形式证明•柯西不等式的向量形式为：对任意的n维向量a=[a1,a2,...,a n]和b=[b1,b2,...,b n]，有下列不等式成立：|a⋅b|2≤∥a∥2⋅∥b∥2•证明思路：1.将n维向量a和b表示为列向量形式。
2. 利用矩阵转置、乘法和内积的定义证明不等式成立。
3. 柯西不等式的积分形式证明• 柯西不等式的积分形式为：对任意的可积函数f (x )和g (x )，有下列不等式成立：|∫f b a (x )g (x )dx|2≤∫|f (x )|2b a dx ⋅∫|g (x )|2ba dx• 证明思路：1. 构造辅助函数ℎ(t )=∫(f (t )x +g (t ))2b a dt −∫|f (t )|2badt ⋅∫|g (t )|2b a dt 。
2. 利用积分和函数的性质证明ℎ(t )≥0，即可得到柯西不等式的积分形式。
应用一：线性代数中的向量内积• 柯西不等式可以用于证明向量内积的性质。
• 例如，在证明向量的模长定义中，可以利用柯西不等式证明模长的非负性。
• 另外，柯西不等式也广泛应用于线性代数中的向量正交、投影等问题。
应用二：凸函数的判定• 柯西不等式可以用于判定函数的凸性。
•若函数f(x)在区间[a,b]上满足柯西不等式中的积分形式，即″(x)dx≥0，则f(x)为该区间上的凸函数。
柯西不等式的证明与推广应用
西不等式的证明过程以及其在不同领域的应用。
一、柯西不等式的证明柯西不等式的一般形式为：对于任意非负实数序列 {a_i} 和 {b_i} (i=1,2,...,n)，都有(a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2) * (b_1^2 + b_2^2 + ... + b_n^2) ≥ (a_1 * b_1 + a_2 * b_2 + ... + a_n * b_n)^2当且仅当 a_i/b_i (i=1,2,...,n) 为常数时，等号成立。
证明过程如下：首先，我们构造两个向量 A = (a_1, a_2, ..., a_n) 和 B = (b_1, b_2, ..., b_n)。
计算向量 A 和 B 的点积，即 A·B = a_1 * b_1 + a_2 * b_2 + ... + a_n * b_n。
根据向量的施瓦茨不等式（Schwarz Inequality），有 |A·B| ≤ ||A|| * ||B||，其中 ||A|| 和 ||B|| 分别表示向量 A 和 B 的模长。
将向量 A 和 B 的模长展开，得到||A|| = sqrt(a_1^2 + a_2^2 + ... + a_n^2)||B|| = sqrt(b_1^2 + b_2^2 + ... + b_n^2)将 |A·B|、||A|| 和 ||B|| 的表达式代入施瓦茨不等式，整理后即得柯西不等式。
二、柯西不等式的应用柯西不等式在数学、物理、工程等领域都有广泛的应用，以下列举几个例子：线性代数：在求解向量空间中的角度、长度等问题时，柯西不等式可以提供有用的界限。
分析学：在证明一些数列或函数列的收敛性时，柯西不等式可以发挥作用。
例如，利用柯西不等式可以证明实数列的部分和有界性。
找到这些统计量的上下界。
最优化理论：在求解最优化问题时，柯西不等式可以作为目标函数的一个下界或上界，从而简化问题的求解过程。
柯西不等式的3种变式及其应用
柯西不等式的3种变式及其应用
柯西不等式证明可以用构造法、数形结合法等。
柯西不等式是由柯西在研究过程中发现的一个不等式，其在解决不等式证明的有关问题中有着十分广泛的应用，所以在高等数学提升中与研究中非常重要，是高等数学研究内容之一。
柯西不等式：ai,bi∈r，求
证:(a1^2+a2^2+...+an^2)*(b1^2+b2^2+...+bn^2)≥(a1*b1+a2*b2+...+an*bn)^2。
结构法，结构n佩向量：α=(a1,a2,...,an)，β=(b1,b2,...,bn)，
则
√(a1^2+a2^2+...+an^2)*√(b1^2+b2^2+...+bn^2)=|α|*|β|≥|α|*|β|*cos\ucα，β\ue=α*β=a1*b1+a2*b2+...+an*bn，
两边同时平方得：
(a1^2+a2^2+...+an^2)*(b1^2+b2^2+...+bn^2)≥(a1*b1+a2*b2+...+an*bn)^2。
还有其他方法：数形结合法：
柯西不等式的公理化读法就是：记两列数分别就是ai, bi，则存有
(∑ai^2) * (∑bi^2) ≥ (∑ai * bi)^2
我们令f(x) = ∑(ai + x * bi)^2
= (∑bi^2) * x^2 + 2 * (∑ai * bi) * x + (∑ai^2)
则我们晓得恒存有
f(x) ≥ 0
用二次函数并无实根或只有一个实根的条件，就存有
δ = 4 * (∑ai * bi)^2 - 4 * (∑ai^2) * (∑bi^2) ≤ 0
移项获得结论。
柯西不等式各种形式的证明及其应用演示版.doc
柯西不等式各种形式的证明及其应用柯西不等式是由大数学家柯西(Cauchy)在研究数学分析中的“流数”问题时得到的。
但从历史的角度讲，该不等式应当称为Cauchy-Buniakowsky-Schwarz 不等式，因为，正是后两位数学家彼此独立地在积分学中推而广之，才将这一不等式应用到近乎完善的地步。
柯西不等式非常重要，灵活巧妙地应用它，可以使一些较为困难的问题迎刃而解。
柯西不等式在证明不等式、解三角形、求函数最值、解方程等问题的方面得到应用。
一、柯西不等式的各种形式及其证明 二维形式在一般形式中，12122,,,,n a a a b b c b d =====令，得二维形式()()()22222bd ac d c b a+≥++等号成立条件：()d c b a bc ad //== 扩展：()()()222222222123123112233nn n n a a a a b b b b a b a b a b a b +++⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅+≥+++⋅⋅⋅+等号成立条件：1122000::::,1,2,3,,i i i i n n i i a b a b a b a b a b a b i n ==⎛⎫==⋅⋅⋅= ⎪=⋅⋅⋅⎝⎭当或时，和都等于，不考虑二维形式的证明：()()()()()()22222222222222222222222,,,220=ab c d a b c d R a c b d a d b c a c abcd b d a d abcd b c ac bd ad bc ac bd ad bc ad bc ++∈=+++=+++-+=++-≥+-=等号在且仅在即时成立三角形式ad bc=等号成立条件：三角形式的证明：222111nn n k k k k k k k a b a b ===⎛⎫≥ ⎪⎝⎭∑∑∑()()22222222222222222-2a b c d a b c d ac bd a ac c b bd d a c b d =++++≥+++++≥-+++=-+-≥注：表示绝对值向量形式()()()()123123=,,,,,,,,2=n n a a a a b b b b n N n R αβαβαββαλβλ≥⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅∈≥∈，等号成立条件：为零向量，或向量形式的证明：()()123123112233222222312322222222112233123123=,,,,,,,,,cos ,cos ,cos ,1n n n n n n n n n nm a a a a n b b b b m n a b a b a b a b m n m na a ab b b b m nm n a b a b a b a b a a a a b b b b =⋅=++++==++++++++≤∴++++≤++++++++令一般形式211212⎪⎭⎫ ⎝⎛≥∑∑∑===n k k k nk k nk k b a b a 1122:::n n i i a b a b a b a b ==⋅⋅⋅=等号成立条件：，或 、均为零。
柯西施瓦茨不等式的应用
柯西施瓦茨不等式的应用柯西施瓦茨不等式是数学中一种重要的不等式，具有广泛的应用。
它得名于法国数学家柯西和德国数学家施瓦茨，被广泛应用于线性代数、概率论、几何学等多个领域。
本文将介绍柯西施瓦茨不等式的数学表达形式，以及它在不同领域的应用。
一、柯西施瓦茨不等式的数学表达形式柯西施瓦茨不等式的最基本形式如下：对于实数a1, a2, ..., an和b1, b2, ..., bn，有：(a1b1 + a2b2 + ... + anbn)² ≤ (a₁² + a₂² + ... + an²)(b₁² + b₂² + ... + bn²)其中等号成立的条件是两个向量之间存在线性依赖关系。
这一不等式可以用向量的内积来表示，形式如下：|<a, b>|² ≤ <a, a> • <b, b>其中，a和b是n维向量，<a, b>代表a和b的内积。
二、柯西施瓦茨不等式在线性代数中的应用柯西施瓦茨不等式在线性代数中被广泛应用。
其中一个重要的应用是证明向量的正交性。
如果两个向量的内积等于零，那么它们就是正交的。
这可以通过柯西施瓦茨不等式来证明。
另一个应用是证明向量的长度和内积之间的关系。
根据柯西施瓦茨不等式，两个向量的内积的绝对值小于等于两个向量的长度的乘积。
这意味着向量的长度越大，它们之间的内积的绝对值就越大。
三、柯西施瓦茨不等式在概率论中的应用柯西施瓦茨不等式在概率论中也有重要的应用。
在概率论中，两个随机变量的协方差可以通过柯西施瓦茨不等式来估计。
协方差描述了两个随机变量之间的线性关系。
柯西施瓦茨不等式告诉我们，两个随机变量的协方差的绝对值小于等于它们的标准差的乘积。
这为我们估计随机变量之间的相关性提供了一个重要的工具。
四、柯西施瓦茨不等式在几何学中的应用柯西施瓦茨不等式在几何学中也有广泛的应用。
柯西不等式各种形式的证明及其应用
柯西不等式各种形式的证明及其应用
1.柯西不等式的证明：
柯西不等式的最常见的证明是基于构造内积的思路。
假设有两个n维
向量a=(a1,a2,…,an)和b=(b1,b2,…,bn)，我们可以定义它们的内积为a·b=a1b1+a2b2+…+anbn。
柯西不等式就是说，对于任意两个向量a和b，有，a·b，≤，a，b。
这个不等式可以通过构造内积的平方来进行证明。
具体的证明过程可以参考高等数学相关教材或参考资料。
2.柯西不等式的应用：
-线性代数：柯西不等式可以用来证明向量范数的性质，如欧几里得
范数和曼哈顿范数的非负性、三角不等式等。
-概率论：柯西不等式可以用来证明概率论中的一些重要定理，比如
马尔可夫不等式、切比雪夫不等式等。
-信号处理：柯西不等式可以用来证明信号处理中的一些重要性质，
比如能量守恒定理、奇异值分解等。
-函数分析：柯西不等式可以用来证明函数分析中的一些重要定理，
比如巴拿赫空间的完备性定理等。
-矩阵论：柯西不等式可以用来证明矩阵论中的一些重要性质，比如
矩阵的条件数、病态度等。
总之，柯西不等式是一条十分重要的不等式，具有广泛的应用价值。
它不仅是高等数学中的重要工具，还可以应用于其他学科的研究中。
通过
了解柯西不等式的证明和应用，我们可以更好地理解和运用它，进一步深
化数学和相关学科的学习。
柯西不等式各种形式的证明及其应用
柯西不等式各种形式的证明及其应用1.柯西不等式的证明：(x1,y1) + (x2,y2) + ... + (xn,yn)，≤ √(，x1，^2 + ，x2，^2 + ... + ，xn，^2)√(，y1，^2 + ，y2，^2 + ... + ，yn，^2)证明：设向量(x1,x2,...,xn)与(y1,y2,...,yn)的内积为A，则有：A = x1y1 + x2y2 + ... + xnyn考虑不等式(，x1，^2/，A， + ，x2，^2/，A， + ... + ，xn，^2/，A，) * (，y1，^2A + ，y2，^2/，A， + ... + ，yn，^2/，A，) ≥ 1根据乘法交换律，可以将上式化简为：(，x1，^2 + ，x2，^2 + ... + ，xn，^2) * (，y1，^2 + ，y2，^2 + ... + ，yn，^2) ≥ ，A，^2由于A是内积，其绝对值不超过向量的模的乘积，即，A，≤ √(，x1，^2 + ，x2，^2 + ... + ，xn，^2)√(，y1，^2 + ，y2，^2 + ...+ ，yn，^2)将不等式化简可得：(x1,y1) + (x2,y2) + ... + (xn,yn)，≤ √(，x1，^2 + ，x2，^2 + ... + ，xn，^2)√(，y1，^2 + ，y2，^2 + ... + ，yn，^2)2.柯西不等式的应用：2.1内积空间中的角度和长度：根据柯西不等式，可以得出两个向量的内积的绝对值小于等于它们的模的乘积，即，A，≤ ，x，y，其中x和y是向量。
从而可以推出内积与向量的模的乘积的乘积的cosine值不超过1，即cosθ ≤ 1，其中θ是x和y之间的角度。
这表明柯西不等式可以用于计算向量的夹角。
2.2线性无关的证明：假设有n个非零向量(x1,x2,...,xn)，如果存在n维向量(a1,a2,...,an)，使得a1x1 + a2x2 + ... + anx_n = 0，其中a1,a2,...,an不全为零，则称向量组(x1,x2,...,xn)线性相关。
柯西不等式各种形式的证明及其应用
柯西不等式各种形式的证明及其应用(a1b1 + a2b2 + … + anbn)，≤ √(a1^2 + a2^2 + … + an^2) * √(b1^2 + b2^2 + … + bn^2)其中a1, a2, …, an和b1, b2, …, bn为实数或者复数。
下面将介绍几种柯西不等式的证明以及其应用。
证明1：使用向量的点乘形式证明柯西不等式。
设有两个n维向量A = (a1, a2, …, an)和B = (b1, b2, …, bn)，则根据向量的点乘定义：A·B， = ，a1b1 + a2b2 + … + anbn，≤ ，a1，b1， + ，a2，b2，+ … + ，an，bn根据向量的模的定义，有：A·B，≤ √(a1^2 + a2^2 + … + an^2) * √(b1^2 + b2^2 + …+ bn^2)这就是柯西不等式的一种证明方法。
证明2：使用函数的积分形式证明柯西不等式。
设函数f(x)和g(x)在区间[a,b]上连续，那么根据积分的定义，有：∫[a,b] (f(x)g(x)) dx ≤ √(∫[a,b] (f^2(x)) dx) * √(∫[a,b] (g^2(x)) dx)假设f(x) = 1，g(x) = sqrt(1/x)，那么有：∫[1,2] (sqrt(1/x)) dx ≤ √(∫[1,2] (1^2) dx) * √(∫[1,2] (sqrt(1/x))^2 dx)化简得：√(ln 2) ≤ √(∫[1,2] (1/x) dx)继续化简得：√(ln 2) ≤ √(ln 2)这也是柯西不等式的一种证明方法。
应用1：在实数范围内，柯西不等式可以用于证明其他不等式的成立。
例如，可以利用柯西不等式证明三角不等式，即，a+b，≤，a，+，b。
应用2：柯西不等式可以推导出协方差不等式，协方差是一种度量两个变量之间线性关系紧密程度的指标。
根据柯西不等式的形式，对于任意两个随机变量X和Y，有：Cov(X, Y)^2 ≤ Var(X) * Var(Y)其中Cov(X, Y)表示X和Y的协方差，Var(X)和Var(Y)分别表示X和Y的方差。
柯西不等式的证明、推广及应用
柯西不等式的证明、推广及应用2 柯西不等式的推广2.1 命题1若级数∑∑==ni i ni i b a 1212与收敛，则有不等式∑∑∑===≤⎪⎭⎫ ⎝⎛ni i n i i n i i i b a b a 121221。
证明：∑∑==ni i n i i b a 1212, 收敛，⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎭⎫ ⎝⎛≤⎪⎭⎫ ⎝⎛≤∑∑∑===n i i n i i n i i i b a b a 1212210i ni i b a ∑=∴1收敛，且∑∑∑=∞→=∞→=∞→≤⎪⎭⎫ ⎝⎛ni i n n i i n n i i i n b a b a 121221lim lim lim从而有不等式∑∑∑===≤⎪⎭⎫ ⎝⎛ni i n i i n i i i b a b a 121221成立。
2.2 命题2[3]若级数∑∑==ni i ni i b a 1212与收敛，且对N n ∈∀有∑∑∑===≤⎪⎭⎫ ⎝⎛ni i n i i n i i i b a b a 121221，则对定义在[]b a ,上的任意连续函数()()x g x f ,有不等式()()()()dx x g dx x f dx x g x f ba b ab a ⎰⎰⎰≤⎪⎭⎫ ⎝⎛222证明：因为函数()()x g x f ,在区间[]b a ,上连续，所以函数()()()()x g x fx g x f 22、、与在[]b a ,上可积，将[]b a ,区间n 等分，取每个小区间的左端点为i ξ，由定积分的定义得：()()()()()()()()xg dx x g x f dx x f xg dx x g x f dx x f i ni n bai ni n bani in bani in ba∆=∆=∆=∆=∑⎰∑⎰∑⎰∑⎰=∞→=∞→=∞→=∞→ξξξξ12212211lim ,lim lim ,lim令()()12211221,ξξg bfa ==，则∑∑==ni i n i i b a 1212与收敛，由柯西不等式得()()()()()()()()⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⎪⎭⎫ ⎝⎛∆≤⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⎪⎭⎫ ⎝⎛∆⎪⎭⎫ ⎝⎛∆≤⎪⎭⎫ ⎝⎛∆∑∑∑∑∑∑=∞→=∞→=∞→===ni i n n i i n ni i i n n i i n i i n i i i x g x f x g f x g x f x g f 121221121221lim lim lim ,ξξξξξξξξ从而有不等式()()()()dx x g dx x f dx x g x f ba b ab a ⎰⎰⎰≤⎪⎭⎫ ⎝⎛222。
柯西不等式及应用
柯西不等式及应用————————————————————————————————作者: ————————————————————————————————日期：柯西不等式及应用武胜中学周迎新柯西不等式:设ａ1,a2,…aｎ，b1,b2…b n均是实数，则有（a1b1+ａ2ｂ2+…+a n b n)2≤（ａ１2＋ａ２２+…ａn2)（b12+ｂ22+…bn2）等号当且仅当ai＝λb i（λ为常数，i=1,2.3，…n)时取到。
注:二维柯西不等式：(一)、柯西不等式的证明柯西不等式有多种证明方法,你能怎么吗?证法一:判别式法:令f(x)＝（a１x+b1)2+(a2x＋b２）2+…+(a n x+b n)2=(a１２+a22+…＋a n2)x２+2（ａ1b1+a2b2+…+ａn b n)x ＋(b１２+b22＋…＋bｎ2)∵f（ｘ)≥０∴△≤0 即 (ａ１b1＋a２b2＋…＋a n b n)２≤（ａ１2+a22＋…+ａｎ2）（b12+b22+…+bｎ2)等号仅当 aｉ＝λbｉ时取到。
证法二：（二)、柯西不等式的应用柯西不等式是一个非常重要的不等式，其结构和谐,应用灵活广泛,灵活巧妙的运用它,可以使一些较为困难的问题迎刃而解,并且柯西不等式本身的证明方法也值得在不等式证明中借鉴。
使用一些方法构造符合柯西不等式的形式及条件，继而达到使用柯西不等式解决有关的问题。
1． 证明不等式利用柯西不等式证明某些不等式显得特别方便，而利用柯西不等式的技巧也有很多。
如常数的巧拆、结构的巧变、巧设数组等，(1）巧拆常数：例1：设a 、b 、c 为正数且各不相等。
求证：c b a a c c b b a ++>+++++9222 分析∵a 、b 、c 均为正∴为证结论正确只需证：9]111)[(2>+++++++a c c b b a c b a 而)()()()(2a c c b b a d b a +++++=++ 又2)111(9++=(2)重新安排某些项的次序：例2：a 、b 为非负数，a ＋b =1，+∈R x x 21,求证：212121))((x x ax bx bx ax ≥++ 分析:不等号左边为两个二项式积,+-∈∈R x x R b a 21,,,,每个两项式可以使柯西不等式，直接做得不到预想结论,当把节二个小括号的两项前后调换一下位置,就能证明结论了。
柯西不等式的证明及相关应用
柯西不等式的证明及相关应用一、柯西不等式的证明：(a1b1 + a2b2 + ... + anbn)^2 ≤ (a1^2 + a2^2 + ... + an^2) * (b1^2 + b2^2 + ... + bn^2)证明过程如下：1. 首先构造一个关于t的二次函数f(t) = (at - b)^2，其中a和b为任意实数。
2. 将函数f(t)进行完全平方，得到f(t) = a^2t^2 - 2abt + b^23.根据二次函数的性质，可以发现f(t)≥0，即二次函数的图像在t轴上方或与t轴相切。
4.根据二次函数的图像性质，我们可以得到二次函数在顶点处取到最小值。
5.通过求解f(t)对t的导数等于0，得到当t=b/a时，函数f(t)取到最小值。
6. 将f(t)中的a和b代换成数列a和b的对应元素，我们得到f(t) = (a1b1 + a2b2 + ... + anbn)^2 - 2(a1b1 + a2b2 + ... + anbn) + (b1^2 + b2^2 + ... + bn^2)。
7. 将t = b/a = (a1b1 + a2b2 + ... + anbn)/(a1^2 + a2^2 + ... + an^2)代入f(t)，得到f(t) ≥ 0，即(a1b1 + a2b2 + ... + anbn)^2≤ (a1^2 + a2^2 + ... + an^2) * (b1^2 + b2^2 + ... + bn^2)。
8. 由于a1, a2, ..., an和b1, b2, ..., bn为任意实数，因此柯西不等式成立。
二、柯西不等式的应用：1.判定正交性：对于向量空间中的两个向量a和b，根据柯西不等式的等号情况可以判断a和b是否正交。
当且仅当(a·b)^2=，a，^2*，b，^2时，向量a和b正交。
2. 证明向量的长度：根据柯西不等式，可以推导出向量的长度公式。
设向量a = (a1, a2, ..., an)，则有，a， = sqrt(a1^2 + a2^2 + ... + an^2)。
柯西不等式
柯西不等式柯西不等式是由大数学家柯西(Cauchy)在研究数学分析中的“流数”问题时得到的。
但从历史的角度讲，该不等式应当称为Cauchy-Buniakowsky-Schwarz 不等式，因为，正是后两位数学家彼此独立地在积分学中推而广之，才将这一不等式应用到近乎完善的地步。
柯西不等式非常重要，灵活巧妙地应用它，可以使一些较为困难的问题迎刃而解。
柯西不等式在证明不等式、解三角形、求函数最值、解方程等问题的方面得到应用。
其形式有以下几种：二维形式(a^2+b^2)(c^2+ d^2)≥(ac+bd)^2等号成立条件：ad=bc (a/b=c/d)扩展：（（a1)^2;+(a2)^2;+(a3)^2;+...+(an)^2;)((b1)^2;+(b2)^2;+(b3)^2;+ ...(bn)^2；）≥（a1b1+a2b2+a3b3+..+anbn)^2;等号成立条件：a1:b1=a2:b2=…=an:bn（当ai=0或bi=0时ai和bi都等于0，不考虑ai:bi，i=1,2,3，…，n）三角形式√（a^2+b^2)+√（c^2+d^2）≥√[(a-c)^2+(b-d)^2]等号成立条件：ad=bc注：“√”表示平方根，向量形式|α||β|≥|α·β|，α=(a1,a，…，an），β=(b1,b，…，bn）（n∈N，n≥2）等号成立条件：β为零向量，或α=λβ（λ∈R）。
一般形式（∑（ai^2；））（∑（bi^2;)) ≥ （∑ai·bi)^2;等号成立条件：a1:b1=a2:b2=…=an:bn，或ai、bi均为零。
上述不等式等同于图片中的不等式。
推广形式(x1+y1+…）（x2+y2+…）…（xn+yn…）≥[（Πx)^(1/n)+（Πy)^(1/n)+…]^n注：“Πx”表示x1，x2，…，xn的乘积，其余同理。
此推广形式又称卡尔松不等式，其表述是：在m*n矩阵中，各行元素之和的几何平均不小于各列元素之和的几何平均之积。
(完整版)柯西不等式各种形式的证明及其应用
柯西不等式各种形式的证明及其应用柯西不等式是由大数学家柯西(Cauchy)在研究数学分析中的“流数”问题时得到的。
但从历史的角度讲，该不等式应当称为Cauchy-Buniakowsky-Schwarz 不等式，因为，正是后两位数学家彼此独立地在积分学中推而广之，才将这一不等式应用到近乎完善的地步。
柯西不等式非常重要，灵活巧妙地应用它，可以使一些较为困难的问题迎刃而解。
柯西不等式在证明不等式、解三角形、求函数最值、解方程等问题的方面得到应用。
一、柯西不等式的各种形式及其证明 二维形式在一般形式中，12122,,,,n a a a b b c b d =====令，得二维形式()()()22222bd ac d c b a+≥++等号成立条件：()d c b a bc ad //== 扩展：()()()222222222123123112233nn n n a a a a b b b b a b a b a b a b +++⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅+≥+++⋅⋅⋅+等号成立条件：1122000::::,1,2,3,,i i i i n n i i a b a b a b a b a b a b i n ==⎛⎫==⋅⋅⋅= ⎪=⋅⋅⋅⎝⎭当或时，和都等于，不考虑二维形式的证明：()()()()()()22222222222222222222222,,,220=ab c d a b c d R a c b d a d b c a c abcd b d a d abcd b c ac bd ad bc ac bd ad bc ad bc ++∈=+++=+++-+=++-≥+-=等号在且仅在即时成立三角形式ad bc=等号成立条件：三角形式的证明：222111nn n k k k k k k k a b a b ===⎛⎫≥ ⎪⎝⎭∑∑∑()()22222222222222222-2a b c d a b c d ac bd a ac c b bd d a c b d =++++≥+++++≥-+++=-+-≥注：表示绝对值向量形式()()()()123123=,,,,,,,,2=n n a a a a b b b b n N n R αβαβαββαλβλ≥⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅∈≥∈，等号成立条件：为零向量，或向量形式的证明：()()123123112233222222312322222222112233123123=,,,,,,,,,cos ,cos ,cos ,1n n n n n n n n n nm a a a a n b b b b m n a b a b a b a b m n m na a ab b b b m nm n a b a b a b a b a a a a b b b b =⋅=++++==++++++++≤∴++++≤++++++++令一般形式211212⎪⎭⎫ ⎝⎛≥∑∑∑===n k k k nk k nk k b a b a 1122:::n n i i a b a b a b a b ==⋅⋅⋅=等号成立条件：，或 、均为零。
柯西不等式的形式、证明及其应用
柯西不等式的形式、证明及其应用作者：李斌来源：《中学生导报·教学研究》2013年第07期摘要：柯西不等式是高等数学中的重要内容，这一不等式的应用范围非常广泛，能够很多比较复杂的问题迎刃而解，掌握柯西不等式的证明及其应用，是对数学专业研究生阶段学习的一项重要要求，本文根据现有的研究资料，详细论述了柯西不等式的形式及其证明，并就柯西不等式在证明不等式、解三角形、求函数最值、解方程组等问题中的应用阐述了自己的意见。
关键词：柯西（Cauchy）不等式；证明；应用一、柯西不等式及其证明。
1.柯西不等式定理柯西不等式定理：设ai，bi∈R（i=1，2，3…，n），则∑ni=1a2i∑ni=1b2i≥∑ni=1aibi2，当且仅当ai=λbi，即a1b1=a2b2=……anbn=λ等号成立。
这一不等式也就是所谓的为柯西不等式。
在学习和掌握这一不等式的过程中应该注意三个问题”第一，由于“∑ni = 1ai 2 = 0，∑ni = 1bi 2 = 0，∑ni=1aibi=0”情况之一出现时，不等式是单个然不成立的，因此，在下面的讨论中需要先假设∑ni = 1ai 2≠0，∑ni = 1bi 2≠0，∑ni=1aibi≠0都成立。
第二，柯西不等式取等号的条件常常写成比例形式a1b1=a2b2=……anbn，并约定：分母为0时，相应的分子也为0。
“等号成立”是柯西不等式应用的一个重要组成部分。
第三，柯西不等式在应用过程中相对于其它不等式的一个优势是，对任意的两组实数都成立，也就是说在应用的过程中对于任意两组数a1，a2，……an，b1，b2，……bn，其对应项“相乘”之后、“求和”、再“平方”这三种运算不满足交换律，先各自平方，然后求和，最后相乘，运算的结果不会变小。
2.柯西不等式证明柯西不等式的证明过程相对来说比较复杂，在证明的过程中有不同的证明方法，常见的证明方法主要有三种，具体的证明及过程如下：证明1：构造二次函数（1）当时n=1，右式=（a1b1），左式=a1 2b1 2，显然，左式=右式。
柯西不等式的证明与应用
柯西不等式的证明与应用首先，我们假设有两组实数序列 x1, x2, ..., xn 和 y1, y2, ..., yn ，我们要证明的是：(x1y1 + x2y2 + ... + xnyn)² ≤ (x1² + x2² + ... + xn²)(y1² + y2² + ... + yn²)我们可以通过数学归纳法来证明柯西不等式。
1.当n=2时，我们有：(x1y1+x2y2)²≤(x1²+x2²)(y1²+y2²)这是由于等式左边是二次多项式的平方，所以一定是非负的。
我们可以展开等式左边并整理得到：(x1y1)²+2x1x2y1y2+(x2y2)²≤x1²y1²+x1²y2²+x2²y1²+x2²y2²可以看出等式两边的差异主要来自于中间的交叉项2x1x2y1y2、由于二次项非负，所以差异总是非负的。
因此，n=2的情况得证。
2.假设当n=k时，不等式成立。
我们要证明当n=k+1时，不等式也成立。
首先，我们取兩個向量 xn = (x1, x2, ..., xk+1) 和 yn = (y1, y2, ..., yk+1)。
根据归纳假设，我们有：(x1y1 + x2y2 + ... + xk+1yk+1)² ≤ (x1² + x2² + ... +xk+1²)(y1² + y2² + ... + yk+1²)现在我们要引入两个新变量 a 和 b，并定义两个新的向量 ak = (x1, x2, ..., xk) 和 bk = (y1, y2, ..., yk)。
那么原始的向量可以表示为xn = (ak, xk+1) 和 yn = (bk, yk+1)。
柯西不等式及应用
柯西不等式及应用一、二维形式的柯西不等式：22222()()()a b c d ac bd ++≥+(,,,) a b c d R ∈，当且仅当ad bc =时取等号；二、二维形式的柯西不等式的变式：bd ac d c b a +≥+⋅+2222)1((,,,) a b c d R ∈，当且仅当ad bc =时取等号；bd ac d c b a +≥+⋅+2222)2((,,,) a b c d R ∈，当且仅当ad bc =时取等号；2(3)()()a b c d ++≥(,,,0)a b c d ≥，当且仅当ad bc =时取等号；三、n 维形式的柯西不等式：设,(1,2,3,)i i a b i n = 为实数，则22212()n a a a +++ 22212()n b b b +++ 21122()n n a b a b a b ≥+++ ，当且仅当0(1,2,3,)i b i n == 或存在一个实数k ，使得(1,2,3,)i i a kb i n == 时等号成立。
四、二维形式的柯西不等式的向量形式：αβαβ⋅≤ ，当且仅当0β= 或存在实数k ，使k αβ= 时取等号；五、基本方法：利用柯西不等式常常根据所求解(证)的式子结构入手，观察是否符合柯西不等式形式或有相似之处，将其配成相关结构形式是解决问题的突破口，有时往往要进行添项、拆项、重组、配方、换序等方法的处理.六、应用：1、证明恒等式：已知0,1a b ≤≤且1，求证：221a b +=.2、解方程（组）：12(1)x x =++.3、求最值（范围）:若实数x ，y ，z 满足232x y z ++=，求222x y z ++的最小值.4、证明不等式:已知正数,,a b c 满足1a b c ++= 证明： 2223333a b c a b c ++++≥.六、巩固练习：1.已知22223102x y z ++=，则32x y z ++的最小值为 .2. 已知实数,,a b c ,d 满足3a b c d +++=， 22222365a b c d +++=，则a 的最大值为 ，最小值为 .3．在实数集内方程组22294862439x y z x y z ⎧++=⎪⎨⎪-+-=⎩的解为 . 4.设❒ABC 之三边长x ，y ，z 满足20x y z -+=及320x y z +-=，则❒ABC 的最大角的大小是 .5.设6 ),2,1,2(=-=b a ，则b a ⋅之最小值为 ,此时=b .6.设a = (1，0，- 2)，b = (x ，y ，z)，若22216x y z ++=，则a b ⋅ 的最大值为 .7.空间二向量(1,2,3)a = ，(,,)b x y z =，已知b = a b ⋅ 的最大值为 ,此时b = .8.设a 、b 、c 为正数，则4936()()a b c a b c++++的最小值为 .9.设x ，y ，z ∈ R ，且满足2225x y z ++=，则23x y z ++之最大值为 ，此时(x ，y ，z) = .10.设,,x y z R ∈，22225x y z ++=，则22x y z -+的最大值为 ，最小值为 .11.设622 , , ,=--∈z y x z y x R ，则222z y x ++之最小值为 .12.,,x y z R ∈，226x y z --=，则222x y z ++的最小值为 ，此时x = ，y = ，z = .13.设,,x y z R ∈，2280x y z +++=，则222(1)(2)(3)x y z -+++-之最小值为 .14.设,,x y z R ∈，若332=+-z y x ，则222)1(z y x +-+之最小值为 ，又此时=y15.设,,a b c R +∈且a + b + c = 9，则cb a 1694++之最小值为 . 16.设,,a bc R +∈，且232=++c b a ，则c b a 321++之最小值为 ，此时=a . 17.空间中一向量a 与x 轴，y 轴，z 轴正向之夹角依次为,,αβγ，则γβα222sin 9sin 4sin 1++的最小值为 .18.空间中一向量a 的方向角分别为,,αβγ，则22292516sin sin sin αβγ++的最小值为 . 19.设,,x y z R ∈，若4)2()1(222=+++-z y x ，则z y x 23--之范围为 ；又z y x 23--取最小值时，=x20.设,,x y z R ∈且14)3(5)2(16)1(222=-+++-z y x ，则x y z ++之最大值为 ，最小值为 .21.求2sin sin cos cos θθϕθϕ-的最大值与最小值.22.设a 、b 、c 为正数且各不相等。
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柯西不等式各种形式的证明及其应用柯西不等式是由大数学家柯西(Cauchy)在研究数学分析中的“流数”问题时得到的。
但从历史的角度讲，该不等式应当称为Cauchy-Buniakowsky-Schwarz 不等式，因为，正是后两位数学家彼此独立地在积分学中推而广之，才将这一不等式应用到近乎完善的地步。
柯西不等式非常重要，灵活巧妙地应用它，可以使一些较为困难的问题迎刃而解。
柯西不等式在证明不等式、解三角形、求函数最值、解方程等问题的方面得到应用。
一、柯西不等式的各种形式及其证明 二维形式在一般形式中，12122,,,,n a a a b b c b d =====令，得二维形式()()()22222bd ac d c b a+≥++等号成立条件：()d c b a bc ad //== 扩展：()()()222222222123123112233nn n n a a a a bb b b a b a b a b a b +++⋅⋅⋅++++⋅⋅⋅+≥+++⋅⋅⋅+等号成立条件：1122000::::,1,2,3,,i i i i n n i i a b a b a b a b a b a b i n ==⎛⎫==⋅⋅⋅= ⎪=⋅⋅⋅⎝⎭当或时，和都等于，不考虑二维形式的证明：()()()()()()22222222222222222222222,,,220=ab c d a b c d R a c b d a d b c a c abcd b d a d abcd b c ac bd ad bc ac bd ad bc ad bc ++∈=+++=+++-+=++-≥+-=等号在且仅在即时成立三角形式ad bc=等号成立条件：222111n nn k k k k k k k a b a b ===⎛⎫≥ ⎪⎝⎭∑∑∑三角形式的证明：()()22222222222222222-2a b c d a b c d ac bd a ac c b bd d a c b d =++++≥+++++≥-+++=-+-≥注：表示绝对值向量形式()()()()123123=,,,,,,,,2=n n a a a a b b b b n N n R αβαβαββαλβλ≥⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅∈≥∈，等号成立条件：为零向量，或向量形式的证明：()()123123112233222222312322222222112233123123=,,,,,,,,,cos ,cos ,cos ,1n n n n n n n n n nm a a a a n b b b b m n a b a b a b a b m n m na a ab b b b m nm n a b a b a b a b a a a a b b b b =⋅=++++==++++++++≤∴++++≤++++++++令一般形式211212⎪⎭⎫⎝⎛≥∑∑∑===n k k k nk k n k k b a b a 1122:::n n i i a b a b a b a b ==⋅⋅⋅=等号成立条件：，或 、均为零。
一般形式的证明：211212⎪⎭⎫ ⎝⎛≥∑∑∑===n k k k nk k n k k b a b a 证明：()()()()()222222=/2=/2i j j i i i j j j j i i a b a b n a b a b a b a b n +++⋅+⋅++≥不等式左边共项不等式右边共项用均值不等式容易证明，不等式左边不等式右边，得证。
推广形式(卡尔松不等式)：卡尔松不等式表述为：在m*n 矩阵中，各行元素之和的几何平均数不小于各列元素 之积的几何平均之和。
)()()11111231111,mmmmmmmmi i i in i i i i x x x x m n N ====+⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎛⎫≥++++ ⎪ ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎝⎭∈∏∏∏∏其中，或者：111111,mmmnnmij ij j i j i ij x x m n N x R ====++⎡⎤⎛⎫⎛⎫≥⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎢⎥⎝⎭⎣⎦∈∈∑∑∏∏其中，，或者()()()()()11221111n n nn n n x y x y x y x y x x y ++++++⎡⎤≥++⎢⎥⎣⎦∏∏∏注：表示，，，x 的乘积，其余同理推广形式的证明： 推广形式证法一：1112221121121212121 12112121212112,,+n n nnnnn nn nnnnn nn nnnA x y A x y A x yxx xxA A A x x xn A A A A A Ayy yyA A A y y yn A A A A A A nxA A A=++=++=+++++⎛⎫⎛⎫≥= ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭+++⎛⎫⎛⎫≥= ⎪⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎛⎫≥⎪⎪⎝⎭∏∏∏记由平均不等式得同理可得上述个不等式叠加，得1()()()()()()()()()()1121111112112211+nnn nnn nnnn nnn nyA A Ax yA A A x yx y x y x yx y⎛⎫⎪⎪⎝⎭≥++⎡⎤++⎢⎥⎣⎦++++++⎡⎤≥++⎢⎥⎣⎦∏∏∏∏∏∏∏即即，证毕或者推广形式证法二：事实上涉及平均值不等式都可以用均值不等式来证，这个不等式并不难，可以简单证明如下：1112111111111111111mjnjimjnjimjnnjjiimmnjknk jjiimjkjm njiijxmxjixmxjixmxxxxx============≤≤≤⎛⎫⎪⎪≤⎪⎪⎝⎭⎛⎛⎫⎪⎝⎭⎝∑∑∑∑∑∑∑∏∑∏∑∏以上各式相加得上式也即11111111,1mnkm mn n mjk jik ij jx xm=====⎫⎪⎪≤⎪⎪⎭⎛⎫⎡⎤⎛⎫≤⎪⎢⎥⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦∑∑∑∏∏该式整理，得：得卡尔松不等式，证毕付：柯西（Cauchy）不等式相关证明方法：()22211nnbababa+++ ()()222221222221nnbbbaaa++++++≤()niRbaii2,1,=∈等号当且仅当021====naaa 或iikab=时成立（k为常数，ni2,1=）现将它的证明介绍如下：证明1：构造二次函数()()()2222211)(nnbxabxabxaxf++++++==()()() 22222121122122n nn n n na a a x ab a b a b x b b b+++++++++++2212nna a a+++≥()0f x∴≥恒成立()()()2222211221212440n nn n n na b a b a b a a a b b b∆=+++-++++++≤即()()()2222211221212nnn n n n a b a b a b a a a b b b +++≤++++++当且仅当()01,2i i a x b x i n +== 即1212nna a ab b b ===时等号成立 证明（2）数学归纳法（1）当1n =时 左式=()211a b 右式=()211a b 显然 左式=右式当 2n =时， 右式 ()()()()2222222222121211222112a a b b a b a b a b a b =++=+++()()()2221122121212222a b a b a a b b a b a b ≥++=+=右式仅当即 2112a b a b = 即1212a ab b =时等号成立 故1,2n =时 不等式成立（2）假设n k =(),2k k ∈N ≥时，不等式成立 即 ()()()2222211221212kk k k k k a b a b a b a a a b b b +++≤++++++当 i i ka b =，k 为常数，1,2i n = 或120k a a a ====时等号成立设22212k a a a A ==== 22212k b b b B ====1122k k C a b a b a b =+++则()()2222211111k k k k k a b ba b +++++A +B +=AB +A +()22221111112k k k k k k C Ca b a b C a b ++++++≥++=+ ()()22222222121121k k k k a a a a b b b b ++∴++++++++()2112211k k k k a b a b a b a b ++≥++++当 i i ka b =，k 为常数，1,2i n = 或120k a a a ====时等号成立即 1n k =+时不等式成立 综合（1）（2）可知不等式成立 二、柯西不等式的应用1、巧拆常数证不等式例1：设a 、b 、c 为正数且互不相等。
求证：2222a b b c a c a b c++++++.a b c 、、均为正数()()()()()111292=a b c a b b c a c a b c a b b c a c ∴⎛⎫++++⎪+++⎝⎭+++++++为证结论正确，只需证:而为证结论正确，只需证：又29(111)=++∴只需证:()()()()()211121111119a b c a b b c a c a b b c a c a b b c a c ⎛⎫++++=⎪+++⎝⎭⎛⎫+++++++⎡⎤ ⎪⎣⎦+++⎝⎭≥++=又a b c、、互不相等，所以不能取等∴原不等式成立，证毕。
2、求某些特殊函数最值例2：y =求函数函数的定义域为[5，9],0y5*2106.44y x =≤===函数仅在时取到3、用柯西不等式推导点到直线的距离公式。
已知点()00,x y P 及直线:l 0x y C A +B += ()220A +B ≠设点p 是直线l 上的任意一点， 则0xx C A +B += （1）12p p =（2）点12p p 两点间的距离12p p 就是点p 到直线l 的距离，求（2）式有最小值，有()()0101x x y y ≥A -+B -()0011x y C x y C A +B +-A +B +由（1）（2）得：1200p p x y C ≥A +B + 即12p p ≥（3）当且仅当 ()()0101:y y x x B--=A12p p l ⊥ （3）式取等号 即点到直线的距离公式即12p p =4、 证明不等式例 3已知正数,,a b c 满足1a b c ++= 证明 2223333a b c a b c ++++≥证明：利用柯西不等式()23131312222222222ab ca ab bc c ⎛⎫++=++ ⎪⎝⎭[]222333222a b c a b c ⎡⎤⎛⎫⎛⎫⎛⎫⎢⎥≤++++ ⎪ ⎪ ⎪⎢⎥⎝⎭⎝⎭⎝⎭⎣⎦ ()()2333a b c a b c =++++()1a b c ++=又因为 222a b c ab bc ca ++≥++ 在此不等式两边同乘以2，再加上222a b c ++得：()()2223a b c a b c++≤++()()()22223332223a b c a b c a b c ++≤++•++故2223333a b c a b c ++++≥5、 解三角形的相关问题例 4设p 是ABC 内的一点，,,x y z 是p 到三边,,a b c 的距离，R 是ABC 外接圆的≤证明：由柯西不等式得，=111a b c≤++记S 为ABC 的面积，则2242abc abcax by cz S R R++===≤=≤故不等式成立。