Lý thuyết··2 phút đọc

Chứng minh bất đẳng thức Cauchy-Schwarz 3 cách

Ba cách chứng minh kinh điển cho bất đẳng thức Cauchy-Schwarz, từ đại số đơn giản đến hình học vector.

Bất đẳng thức Cauchy-Schwarz là một trong những bất đẳng thức quan trọng nhất trong toán học:

(∑i=1naibi)2≤(∑i=1nai2)(∑i=1nbi2)\left(\sum_{i=1}^n a_i b_i\right)^2 \leq \left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right)\left(\sum_{i=1}^n b_i^2\right)

Cách 1: Chứng minh đại số

Xét hàm số f(t)=∑i=1n(ait−bi)2≥0f(t) = \sum_{i=1}^n (a_i t - b_i)^2 \geq 0 với mọi t∈Rt \in \mathbb{R}.

Khai triển ra:

f(t)=(∑ai2)t2−2(∑aibi)t+∑bi2≥0f(t) = \left(\sum a_i^2\right)t^2 - 2\left(\sum a_i b_i\right)t + \sum b_i^2 \geq 0

Đây là tam thức bậc hai không âm, nên delta ≤0\leq 0:

Δ=4(∑aibi)2−4(∑ai2)(∑bi2)≤0\Delta = 4\left(\sum a_i b_i\right)^2 - 4\left(\sum a_i^2\right)\left(\sum b_i^2\right) \leq 0

Suy ra bất đẳng thức cần chứng minh.

Cách 2: Chứng minh bằng vector

Trong không gian Rn\mathbb{R}^n, gọi a=(a1,…,an)\mathbf{a} = (a_1, \ldots, a_n) và b=(b1,…,bn)\mathbf{b} = (b_1, \ldots, b_n).

Ta có:

∣a⋅b∣=∥a∥∥b∥∣cos⁡θ∣≤∥a∥∥b∥|\mathbf{a} \cdot \mathbf{b}| = \|\mathbf{a}\| \|\mathbf{b}\| |\cos\theta| \leq \|\mathbf{a}\| \|\mathbf{b}\|

Viết lại dưới dạng tọa độ:

∣∑aibi∣≤∑ai2⋅∑bi2\left|\sum a_i b_i\right| \leq \sqrt{\sum a_i^2} \cdot \sqrt{\sum b_i^2}

Cách 3: Lagrange Identity

Đồng nhất thức Lagrange:

(∑i=1nai2)(∑i=1nbi2)−(∑i=1naibi)2=∑1≤i<j≤n(aibj−ajbi)2\left(\sum_{i=1}^n a_i^2\right)\left(\sum_{i=1}^n b_i^2\right) - \left(\sum_{i=1}^n a_i b_i\right)^2 = \sum_{1 \leq i < j \leq n}(a_i b_j - a_j b_i)^2

Vì vế phải ≥0\geq 0, bất đẳng thức được chứng minh. Đẳng thức xảy ra khi aibj=ajbia_i b_j = a_j b_i với mọi i,ji, j, tức là a\mathbf{a} và b\mathbf{b} tỉ lệ với nhau.

Chia sẻ:

Bình luận

Chưa có bình luận nào. Hãy là người đầu tiên!

Đăng nhập để bình luận.