§A1.19不等式の発展的手法

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変数が2個または3個の不等式では差を平方の形へ変形する方法が有効ですが、項数が一般のnnになると個別の変形だけでは評価と等号条件を整理することができません。本記事は、隣接する二項を交換したときの積の和の変化、二項の場合の相加平均と相乗平均の関係、二次式がすべての実数で非負になる条件を用いて、一般の項数に対する代表的な評価と等号条件を証明します。

1 並べ替え不等式

例 1.1.a=(1,2,3)a=(1,2,3)とb=(4,5,6)b=(4,5,6)の項を一対一に組み合わせて積の和を取る。bbの六つの並べ方に対する和は

(4,5,6)32(4,6,5)31(5,4,6)31(5,6,4)29(6,4,5)29(6,5,4)28\begin{array}{c|c} (4,5,6)&32\\ (4,6,5)&31\\ (5,4,6)&31\\ (5,6,4)&29\\ (6,4,5)&29\\ (6,5,4)&28 \end{array}

となる。同じ順に並べた場合が最大であり、逆順に並べた場合が最小である。

定理 1.2 (並べ替え不等式).n≥2n\ge2とし、実数列が

a1≤a2≤⋯≤an,b1≤b2≤⋯≤bna_1\le a_2\le\cdots\le a_n,\qquad b_1\le b_2\le\cdots\le b_n

を満たすとする。σ\sigmaを{1,2,…,n}\{1,2,\ldots,n\}の任意の置換とすると

∑i=1naibn+1−i≤∑i=1naibσ(i)≤∑i=1naibi\sum_{i=1}^{n}a_ib_{n+1-i} \le \sum_{i=1}^{n}a_ib_{\sigma(i)} \le \sum_{i=1}^{n}a_ib_i

が成り立つ。

二列がともに狭義単調増加である場合、右側の等号はσ(i)=i\sigma(i)=iがすべてのiiで成り立つ場合に限り、左側の等号はσ(i)=n+1−i\sigma(i)=n+1-iがすべてのiiで成り立つ場合に限る。列に同じ値が含まれる場合には、最大値または最小値を与える置換は一つとは限らない。

証明.ci=bσ(i)c_i=b_{\sigma(i)}と置き、列(c1,…,cn)(c_1,\ldots,c_n)の逆転数を

N=#{(k,l)∣1≤k<l≤n, ck>cl}N=\#\{(k,l)\mid 1\le k<l\le n,\ c_k>c_l\}

とする。N>0N>0ならば、ci>ci+1c_i>c_{i+1}となる隣接する二項が存在する。この二項だけを交換して得る置換をσ′\sigma'とすると、積の和の変化は

∑k=1nakbσ′(k)−∑k=1nakbσ(k)=(ai+1−ai)(ci−ci+1)≥0\sum_{k=1}^{n}a_kb_{\sigma'(k)}- \sum_{k=1}^{n}a_kb_{\sigma(k)} =(a_{i+1}-a_i)(c_i-c_{i+1})\ge0

である。同時に逆転数は一つ減る。逆転数は非負整数であるから、有限回の交換で逆転数は00となり、(c1,…,cn)(c_1,\ldots,c_n)は広義単調増加になる。逆転数が00になった列は(b1,…,bn)(b_1,\ldots,b_n)と同じ値を同じ順に並べた列である。各交換で和は減らないので

∑i=1naibσ(i)≤∑i=1naibi\sum_{i=1}^{n}a_ib_{\sigma(i)}\le\sum_{i=1}^{n}a_ib_i

を得る。

cj=−bn+1−jc_j=-b_{n+1-j}と置くとc1≤⋯≤cnc_1\le\cdots\le c_nである。τ(i)=n+1−σ(i)\tau(i)=n+1-\sigma(i)と置けばτ\tauも置換である。右側の不等式を列(ai)(a_i)と(ci)(c_i)に適用すると

∑i=1nai(−bσ(i))≤∑i=1nai(−bn+1−i)\sum_{i=1}^{n}a_i(-b_{\sigma(i)}) \le \sum_{i=1}^{n}a_i(-b_{n+1-i})

となる。両辺に−1-1を掛けて不等号の向きを反転すると、左側の不等式を得る。

二列がともに狭義単調増加であるとする。右側の並びが恒等置換でなければ逆転が存在し、各交換についてai+1−ai>0a_{i+1}-a_i>0かつci−ci+1>0c_i-c_{i+1}>0であるから、和は必ず増加する。したがって右側で等号となるのは恒等置換だけである。列(−bn,…,−b1)(-b_n,\ldots,-b_1)も狭義単調増加であるため、左側へ同じ議論を適用すると、等号となるのは逆順の置換だけである。重複する値がある場合には交換による差が00となることがあるので、等号を与える置換は一意とは限らない。▨

2 多変数の相加平均と相乗平均

二変数の場合は「不等式の証明」で示した関係を出発点にし、項数が一般の場合へ広げます。

定理 2.1.n≥2n\ge2とし、x1,…,xnx_1,\ldots,x_nを非負実数とする。このとき

x1+x2+⋯+xnn≥x1x2⋯xnn\frac{x_1+x_2+\cdots+x_n}{n} \ge \sqrt[n]{x_1x_2\cdots x_n}

が成り立つ。積が00の場合の右辺は00とする。等号が成り立つのはx1=x2=⋯=xnx_1=x_2=\cdots=x_nの場合に限る。

証明. 上の主張をP(n)P(n)と書く。非負実数x1,x2x_1,x_2について

x1+x22−x1x2=(x1−x2)22≥0\frac{x_1+x_2}{2}-\sqrt{x_1x_2} =\frac{(\sqrt{x_1}-\sqrt{x_2})^2}{2}\ge0

であるからP(2)P(2)が成り立つ。等号はx1=x2x_1=x_2の場合に限る。

P(n)P(n)が成り立つとし、非負実数x1,…,x2nx_1,\ldots,x_{2n}に対して

A=x1⋯xnn,B=xn+1⋯x2nnA=\sqrt[n]{x_1\cdots x_n},\qquad B=\sqrt[n]{x_{n+1}\cdots x_{2n}}

と置く。P(n)P(n)を前半と後半へ適用し、続いてP(2)P(2)をA,BA,Bへ適用すると

x1+⋯+x2n2n=12(x1+⋯+xnn+xn+1+⋯+x2nn)≥A+B2≥AB=x1x2⋯x2n2n\begin{aligned} \frac{x_1+\cdots+x_{2n}}{2n} &=\frac12\left(\frac{x_1+\cdots+x_n}{n} +\frac{x_{n+1}+\cdots+x_{2n}}{n}\right)\\ &\ge\frac{A+B}{2} \ge\sqrt{AB} =\sqrt[2n]{x_1x_2\cdots x_{2n}} \end{aligned}

となる。二つの不等式で同時に等号が成り立つのは、前半と後半の各項がそれぞれ等しく、さらにA=BA=Bとなる場合である。したがってP(2n)P(2n)の等号はx1=⋯=x2nx_1=\cdots=x_{2n}の場合に限る。

n≥3n\ge3とし、P(n)P(n)が成り立つとする。非負実数x1,…,xn−1x_1,\ldots,x_{n-1}に対して

A=x1+⋯+xn−1n−1A=\frac{x_1+\cdots+x_{n-1}}{n-1}

と置く。A=0A=0ならばすべてのxix_iが00であり、P(n−1)P(n-1)は等号として成り立つ。A>0A>0ならばxn=Ax_n=Aを付け加えてP(n)P(n)を適用し

A≥x1⋯xn−1AnA\ge\sqrt[n]{x_1\cdots x_{n-1}A}

を得る。両辺は非負であるからnn乗して

An≥x1⋯xn−1AA^n\ge x_1\cdots x_{n-1}A

となる。正の数AAで割ると

An−1≥x1⋯xn−1A^{n-1}\ge x_1\cdots x_{n-1}

であり、非負のn−1n-1乗根を取ってP(n−1)P(n-1)を得る。この不等式で等号が成り立つなら、P(n)P(n)を適用したx1,…,xn−1,Ax_1,\ldots,x_{n-1},Aがすべて等しい。したがってx1=⋯=xn−1x_1=\cdots=x_{n-1}である。逆に全項が等しければ等号が成り立つ。

P(2)P(2)からP(4),P(8),…P(4),P(8),\ldotsが順に従う。任意のn≥2n\ge2に対してn≤2kn\le2^kとなる整数kkを取り、P(2k)P(2^k)から番号を一つ下げる議論を2k−n2^k-n回適用するとP(n)P(n)を得る。各段階で等号条件も保たれるので、主張した等号条件が任意のnnについて成り立つ。▨

3 一般項数のコーシー・シュワルツの不等式

定理 3.1.n≥2n\ge2とし、x1,…,xn,y1,…,ynx_1,\ldots,x_n,y_1,\ldots,y_nを実数とする。このとき

(∑i=1nxi2)(∑i=1nyi2)≥(∑i=1nxiyi)2\left(\sum_{i=1}^{n}x_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^{n}y_i^2\right) \ge \left(\sum_{i=1}^{n}x_iy_i\right)^2

が成り立つ。等号が成り立つのは、すべてのxix_iが00である場合、または、ある実数ttが存在してすべてのiiでyi=txiy_i=tx_iとなる場合に限る。

証明.

X=∑i=1nxi2,Y=∑i=1nyi2,Z=∑i=1nxiyiX=\sum_{i=1}^{n}x_i^2,\qquad Y=\sum_{i=1}^{n}y_i^2,\qquad Z=\sum_{i=1}^{n}x_iy_i

と置く。X=0X=0ならばすべてのxix_iが00であり、Z=0Z=0である。したがって不等式の両辺は00であり、等号が成り立つ。

X>0X>0とする。任意の実数ttに対して

f(t)=∑i=1n(txi−yi)2=Xt2−2Zt+Y≥0f(t)=\sum_{i=1}^{n}(tx_i-y_i)^2=Xt^2-2Zt+Y\ge0

である。「2次不等式」で示した判別式の条件により、この2次式の判別式は00以下である。よって

(−2Z)2−4XY≤0(-2Z)^2-4XY\le0

となり、Z2≤XYZ^2\le XYを得る。

X>0X>0の場合に等号Z2=XYZ^2=XYが成り立つことは、ffの判別式が00であることと同値である。このときt0=Z/Xt_0=Z/Xと置けば

0=f(t0)=∑i=1n(t0xi−yi)20=f(t_0)=\sum_{i=1}^{n}(t_0x_i-y_i)^2

であり、各平方項が00であるからyi=t0xiy_i=t_0x_iがすべてのiiで成り立つ。逆に、ある実数ttについてyi=txiy_i=tx_iがすべてのiiで成り立つなら、Y=t2X,Z=tXY=t^2X,Z=tXであるからZ2=XYZ^2=XYとなる。▨

4 分数の形

定理 4.1.n≥2n\ge2とし、a1,…,ana_1,\ldots,a_nを実数、b1,…,bnb_1,\ldots,b_nを正の実数とする。このとき

∑i=1nai2bi≥(∑i=1nai)2∑i=1nbi\sum_{i=1}^{n}\frac{a_i^2}{b_i} \ge \frac{\left(\sum_{i=1}^{n}a_i\right)^2}{\sum_{i=1}^{n}b_i}

が成り立つ。等号が成り立つことと、a1/b1,…,an/bna_1/b_1,\ldots,a_n/b_nがすべて等しいことは同値である。

証明. 各bi>0b_i>0であるから、bi\sqrt{b_i}は正であり

xi=aibi,yi=bix_i=\frac{a_i}{\sqrt{b_i}},\qquad y_i=\sqrt{b_i}

と置くことができる。定理 3.1へ代入すると

(∑i=1nai2bi)(∑i=1nbi)≥(∑i=1nai)2\left(\sum_{i=1}^{n}\frac{a_i^2}{b_i}\right) \left(\sum_{i=1}^{n}b_i\right) \ge \left(\sum_{i=1}^{n}a_i\right)^2

となる。∑bi>0\sum b_i>0であるから、この正の数で両辺を割って主張した不等式を得る。

すべてのaia_iが00ならば、すべてのai/bia_i/b_iが00であり、等号が成り立つ。すべてのaia_iが00ではない場合、定理 3.1の等号条件は、あるt≠0t\ne0が存在して

bi=taibi\sqrt{b_i}=t\frac{a_i}{\sqrt{b_i}}

がすべてのiiで成り立つことである。この式はai/bi=1/ta_i/b_i=1/tと同値である。

逆にai/bia_i/b_iがすべて同じ実数kkに等しいとする。k=0k=0ならばすべてのaia_iが00である。k≠0k\ne0ならば

bi=1kaibi\sqrt{b_i}=\frac1k\frac{a_i}{\sqrt{b_i}}

がすべてのiiで成り立つ。どちらの場合も定理 3.1の等号条件を満たす。したがって等号条件の双方向が成り立つ。▨

例 4.2. 正の実数a,b,ca,b,cに定理 4.1を適用すると

a2b+b2c+c2a≥(a+b+c)2b+c+a=a+b+c\frac{a^2}{b}+\frac{b^2}{c}+\frac{c^2}{a} \ge \frac{(a+b+c)^2}{b+c+a}=a+b+c

を得る。等号が成り立つのは

ab=bc=ca\frac ab=\frac bc=\frac ca

の場合に限る。この共通値をkkとすると、k>0k>0かつ

k3=abbcca=1k^3=\frac ab\frac bc\frac ca=1

であるからk=1k=1であり、a=b=ca=b=cとなる。逆にa=b=ca=b=cならば等号が成り立つ。

5 凸性による考え方

区間上で定義された関数について、グラフ上の任意の二点を結ぶ線分が、その二点の間でグラフより下に来ないとき、その関数を下に凸であるといいます。「その二点の間」という条件は外すことができません。線分を区間の外へ延長すると、下に凸な関数でも直線がグラフの下へ回る場合があります。一次関数のように線分がグラフと重なる場合も、下に凸な関数に含めます。

下に凸な関数では、数の重み付き平均を先に取ってから関数へ入れた値が、各数を関数へ入れてから重み付き平均を取った値以下になります。多変数の相加平均と相乗平均の関係を、この見方から導くこともできます。本記事は凸性による証明を扱わず、関数の凹凸と競技数学への応用は後続の記事へ委ねます。

7 演習

問題 7.1. 実数列a=(1,2,4)a=(1,2,4)、b=(1,3,5)b=(1,3,5)について、∑i=13aibσ(i)\sum_{i=1}^{3}a_ib_{\sigma(i)}を六つの置換σ\sigmaについて計算し、最大値と最小値を求めよ。並べ替え不等式による評価とも照合せよ。

解答.

bbを

(1,3,5),(1,5,3),(3,1,5),(3,5,1),(5,1,3),(5,3,1)(1,3,5),(1,5,3),(3,1,5),(3,5,1),(5,1,3),(5,3,1)

の順に並べたとき、積の和はそれぞれ

27,23,25,17,19,1527,23,25,17,19,15

となる。したがって最大値は同じ順に並べた場合の2727、最小値は逆順に並べた場合の1515であり、定理 1.2の評価と一致する。▨

問題 7.2. 正の実数x1,…,xnx_1,\ldots,x_nがx1x2⋯xn=1x_1x_2\cdots x_n=1を満たすとき、x1+x2+⋯+xn≥nx_1+x_2+\cdots+x_n\ge nを示し、等号条件を求めよ。

解答.

定理 2.1により

x1+⋯+xnn≥x1⋯xnn=1\frac{x_1+\cdots+x_n}{n} \ge \sqrt[n]{x_1\cdots x_n}=1

である。両辺に正の整数nnを掛けてx1+⋯+xn≥nx_1+\cdots+x_n\ge nを得る。等号が成り立つのはx1=⋯=xnx_1=\cdots=x_nの場合に限る。積が11で各項が正であるから、共通値は11である。▨

問題 7.3. 正の実数a,b,ca,b,cに対して

1a+1b+1c≥9a+b+c\frac1a+\frac1b+\frac1c\ge\frac9{a+b+c}

を分数の形のコーシー・シュワルツの不等式で示し、等号条件を求めよ。

解答.

定理 4.1で分子を1,1,11,1,1、分母をa,b,ca,b,cとすると

1a+1b+1c≥(1+1+1)2a+b+c=9a+b+c\frac1a+\frac1b+\frac1c \ge \frac{(1+1+1)^2}{a+b+c} =\frac9{a+b+c}

を得る。等号が成り立つことと1/a=1/b=1/c1/a=1/b=1/cは同値である。a,b,ca,b,cは正であるから、等号条件はa=b=ca=b=cである。▨

例題

条件と何を求めるかを確認してから、式と答えの対応を見比べてください。

並べ替えの問題では有限な実数列とその添字の置換を考える。イェンセンの問題では、区間 I 上で凸な(必要なら2回微分可能で f′′≥0\ge0 の)関数 f、点 x_i∈Ii\in I、正の重み λ\lambda_i>0(Σλ\Sigma\lambda_i=1i=1)を考える。「順序が揃っているほど和は大きい」と「下に凸な関数では、先に平均してから f に入れるほうが小さい」という2つの構造を使って、次の問いに答えよ。

解法の型並べ替え不等式: 同順序の和が最大、逆順序の和が最小。イェンセンの不等式: f が下に凸なら f(Σλf(\Sigma\lambdaᵢxᵢ) ≤\leΣλ\Sigma\lambdaᵢf(xᵢ)(λ\lambdaᵢ > 0, Σλ\Sigma\lambdaᵢ == 1)。等号成立は狭義凸なら x1x_{1}== … == xₙ のときに限る

  1. f(x) == tan x(0 < x < π/2\pi/2) が下に凸か上に凸かを二階微分で判定し、重み λ\lambdaᵢ > 0(Σλ\Sigma\lambdaᵢ == 1)に対するイェンセンの不等式を書け。そこから得られる不等式(0 < x < π/2\pi/2 の xᵢ について)と、等号成立条件も述べよ。

    f(x)=tan⁡x(0<x<π2),λi>0,∑i=1nλi=1f(x) = \tan x \quad \left(0 < x < \dfrac{\pi}{2}\right),\qquad \lambda_i > 0,\quad \sum_{i=1}^{n} \lambda_i = 1
  2. 3 つの正の数 3, 6, 12 について、調和平均 H ==3/(1/x13/(1/x_{1} + 1/x21/x_{2} + 1/x3)1/x_{3})、相乗平均 G ==(x1x2x3)(1/3)(x_{1}x_{2}x_{3})^(1/3)、相加平均 A ==(x1(x_{1} + x2x_{2} + x3)/3x_{3})/3 をそれぞれ求め、大小関係を確かめよ。

    x1=3, x2=6, x3=12H=31x1+1x2+1x3,G=x1x2x33,A=x1+x2+x33x_1 = 3,\ x_2 = 6,\ x_3 = 12 \qquad H = \dfrac{3}{\frac{1}{x_1} + \frac{1}{x_2} + \frac{1}{x_3}},\quad G = \sqrt[3]{x_1 x_2 x_3},\quad A = \dfrac{x_1 + x_2 + x_3}{3}

演習

問題を解いてから「解答・解説」を開けます。

並べ替えの問題では有限な実数列とその添字の置換を考える。イェンセンの問題では、区間 I 上で凸な(必要なら2回微分可能で f′′≥0\ge0 の)関数 f、点 x_i∈Ii\in I、正の重み λ\lambda_i>0(Σλ\Sigma\lambda_i=1i=1)を考える。「順序が揃っているほど和は大きい」と「下に凸な関数では、先に平均してから f に入れるほうが小さい」という2つの構造を使って、次の問いに答えよ。

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