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realnumber 发表于 2014-3-15 12:50
定理2 (Young不等式) 设 $p>1, q>1, \frac{1}{p}+\frac{1}{q}=1$, 则 $\forall a, b \geq 0$, 必有
\[
a \cdot b \leq \frac{a^p}{p}+\frac{b^q}{q},
\]
上式中等号成立的充要条件是 $a^p=b^q$.
梅加强. 数学分析[M]. 2 版. 北京: 高等教育出版社, 2020.
例 3.5.13 (Young 不等式). 设 $f$ 是 $[0,+\infty)$ 中的单调递增连续函数, $f(0)=0$, $f^{-1}(y)$ 表示 $f$ 的反函数, 则当 $a, b>0$ 时
\[
a b \leqslant \int_0^a f(x) d x+\int_0^b f^{-1}(y) d y,
\]
等号成立当且仅当 $b=f(a)$.
证明. 我们分情况讨论.
(1) $b=f(a)$. 这时 $f:[0, a] \rightarrow[0, b]$ 为连续函数, 其逆 $f^{-1}:[0, b] \rightarrow[0, a]$ 也是连续函数. 取 $[0, a]$ 的 $n$ 等分:
\[
\pi: 0=x_0<x_1<\cdots<x_n=a,
\]
则 $y_i=f\left(x_i\right)(0 \leqslant i \leqslant n)$ 构成 $[0, b]$ 的分划:
\[
\pi^{\prime}: 0=f\left(x_0\right)=y_0<y_1<\cdots<y_n=b
\]
因为 $f$ 在闭区间上一致连续, 故当 $n \rightarrow \infty$ 时 $\left\|\pi^{\prime}\right\| \rightarrow 0$. 因此
\[
\begin{aligned}
& \int_0^a f(x) d x+\int_0^b f^{-1}(y) d y \\
& =\lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^n f\left(x_i\right)\left(x_i-x_{i-1}\right)+\lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^n f^{-1}\left(f\left(x_{i-1}\right)\right)\left(f\left(x_i\right)-f\left(x_{i-1}\right)\right) \\
& =\lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^n\left[f\left(x_i\right)\left(x_i-x_{i-1}\right)+x_{i-1}\left(f\left(x_i\right)-f\left(x_{i-1}\right)\right)\right] \\
& =\lim _{n \rightarrow \infty} \sum_{i=1}^n\left[f\left(x_i\right) x_i-x_{i-1} f\left(x_{i-1}\right)\right] \\
& =\lim _{n \rightarrow \infty}\left[x_n f\left(x_n\right)-x_0 f\left(x_0\right)\right] \\
& =a f(a)-0 f(0)=a f(a)=a b .
\end{aligned}
\]
(2) $0<b<f(a)$. 由 $f$ 的连续性, 存在 $\xi \in(0, a)$ 使得 $b=f(\xi)$. 由 (1), 有
\[
\begin{aligned}
& \int_0^a f(x) d x+\int_0^b f^{-1}(y) d y \\
& =\int_0^{\xi} f(x) d x+\int_{\xi}^a f(x) d x+\int_0^{f(\xi)} f^{-1}(y) d y \\
& >f(\xi)(a-\xi)+\int_0^{\xi} f(x) d x+\int_0^{f(\xi)} f^{-1}(y) d y \\
& =f(\xi)(a-\xi)+\xi f(\xi)=a f(\xi)=a b .
\end{aligned}
\]
(3) $b>f(a)$. 这时将 $f$ 视为 $f^{-1}$ 的反函数就可将问题化为情形 (2). |
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