关于对数平均不等式
对数平均不等式,也称算数-对数-几何平均值不等式、A-L-G 不等式(Arithmetic mean-Logarithmic mean-Geometric mean inequality),是指对任意不相等的正实数 a,b,它们满足
2a+b>lnb−lnab−a>ab
其中 lnb−lnab−a 被称为对数平均值。
证明
用柯西积分不等式证明
参考:怎么理解对数均值不等式? - Warlock的回答 - 知乎
根据柯西积分不等式(证明)
[∫abf(x)g(x) dx]2≤∫abf2(x) dx∫abg2(x) dx
令 f2(x)=x,g2(x)=x1,则有 ∣f(x)g(x)∣=1
代入柯西积分不等式得(f(x) 与 g(x) 线性无关,故等号不可取)
(b−a)2<21(b2−a2)(lnb−lna)
b−a 与 lnb−lna 同正负,故 (b−a)(lnb−lna)>0,不等式两边同时除以 (b−a)(lnb−lna) 得
lnb−lnab−a<2a+b
令 f(x)=x1,g(x)=1,则有 ∣f(x)g(x)∣=x1
代入柯西积分不等式得(f(x) 与 g(x) 线性无关,故等号不可取)
(lnb−lna)2<(a1−b1)(b−a)
其中
(a1−b1)(b−a)=ab(b−a)2
所以
ab<(lnb−lna)2(b−a)2
即
ab<lnb−lnab−a
高中知识证明
思路:由于 a,b 是两个独立的变量,如果能够构造两个变量的比值(或差值)实现变量归一,那么就能利用导数证明此不等式。
不妨设 b>a,则
2a+b>lnb−lnab−a⇔(a+b)(lnb−lna)>2(b−a)⇔(ab+1)lnab>2(ab−1)
设函数 f(x)=(1+x)lnx−2(x−1) (x>1),则
f′(x)=lnx+xx+1−2=xxlnx−x+1
令 g(x)=xlnx−x+1(x>1), 则 g′(x)=lnx>0,所以 g(x) 在 (1,+∞) 单调递增,g(x)>g(1)=0
所以 f′(x)>0,f(x) 在 (1,+∞) 单调递增,f(x)>f(1)=0,故原不等式成立。
lnb−lnab−a>ab⟺ab−ba>lnab
设 f(x)=x−x1−lnx2=x−x1−2lnx (x>1),则
f′(x)=1+x21+x2=x(x+1)2>0
所以 f(x) 在 (1,+∞) 单调递增,f(x)>f(1)=0,故原不等式得证。
几何意义
图中曲线为 y=x1,因为曲边梯形面积 > 梯形面积 = 矩形面积,所以
∫abx1 dx>a+b2(b−a)
lnb−lna>a+b2(b−a)
2a+b>lnb−lnab−a
图中曲线为 y=x1,因为曲边梯形面积 < 两个梯形面积之和,所以
lnb−lna<21(a1+ab1)(ab−a)+21(ab1+b1)(b−ab)=2aab(ab+a)(ab−a)+2bab(b+ab)(b−ab)=2aabab−a2+2babb2−ab=2abb−a+2abb−a=abb−a
所以
ab<lnb−lnab−a
应用
To be continued...
柯西积分不等式的证明
由 [f(x)+tg(x)]2≥0 得
∫ab[f(x)+tg(x)]2dx≥0
∫abf2(x) dx+2t∫abf(x)g(x) dx+t2∫abg2(x) dx≥0
将上式视为关于 t 的不等式,则
Δ=4[∫abf(x)g(x) dx]2−4∫abf2(x) dx∫abg2(x) dx≤0
所以
[∫abf(x)g(x) dx]2≤∫abf2(x) dx∫abg2(x) dx
上式称为柯西积分不等式。等号成立的充分必要条件是 f(x) 和 g(x) 线性相关,即 f(x) 和 g(x) 中有一个恒为零或存在常数 t 使得 f(x)=tg(x) 恒成立。(证明见柯西施瓦兹不等式的积分形式等号成立的条件是什么呢?如何证明呢? - 刘醉白的回答 - 知乎)