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Feb 16

先看12的。

f:[0,1]R是连续可导函数,若120f(x)dx=0,求证:
10f(x)2dx12(10f(x)dx)2
(tian 275461)
证明:
120f(x)dx=0120xf(x)dx=12f(12)
(10f(x)dx)2=[112(f(x)f(12))dx+12f(12)]2=[112x12f(t)dtdx+120xf(x)dx]2=[112(1t)f(t)dt+120xf(x)dx]22[112(1t)f(t)dt]2+2[120xf(x)dx]22[112(1t)2dt112f(t)2dt+120x2dx120f(t)2dt]=11210f(x)2dx

再看27的。

f(x)[0,1]连续可导且可积,若2313f(x)dx=0
求证:
10(f(x))2dx27(10f(x)dx)2

(tian275461)

证明
考虑
G(x)={x,x[0,13)12x,x[13,23]x1,x[23,1)
由Cauchy-Schwarz容易证明.以下略

3个推广

1.若f(x):[0,1]R 是连续可导函数,且1n12nf(x)dx=0,则有:
10(f(x))2dx12n24n210n+7(10f(x)dx)2
提示:设
g(x)={x,x[0,12n]1(2n1)x,x[12n,1n]x1,x[1n,1].
  然后仿照上面一样用Cauchy-Schwarz
       
2. 若f(x):[a,b]R 是连续可导函数,且baf(x)dx=0,则有:
2baa(f(x))2dx32(ba)3(2baaf(x)dx)2
提示:设
g(x)={xa,x[a,b]2bax,x[b,2ba].
        然后仿照上面一样用Cauchy-Schwarz
  3.  若f(x):[0,1]R 是连续可导函数,且22n+112n+1f(x)dx=0,则有:
10(f(x))2dx3(2n+1)24n26n+3(10f(x)dx)2
提示:设
g(x)={x,x[0,12n+1]12nx,x[12n+1,22n+1]x1,x[22n+1,1].
  然后仿照上面一样用Cauchy-Schwarz   

Feb 16

f(x)是在[0,1]非负的连续的凹函数,且f(0)=1, 求证:
210x2f(x)dx+112(10f(x)dx)2
证明
F(x)=x0f(t)dt
由于f(x)是凹函数,所以有
f(t)f(0)t0f(x)f(0)x0,t(0,x)
f(t)tx(f(x)1)+1

I=10x2f(x)dx=10x2dF(x)=F(1)210xx0f(t)dtdxF(1)I13
所以
2IF(1)13
只要证明
F(1)13+112F2(1)
(F(1)14)20
显然成立。

下面的题和这个有着公共的内核。手段一样,所以在这里不证明了。
f:[0,1]R是连续凹函数,且满足f(0)=1,证明:
10xf(x)dx23(10f(x)dx)2

Feb 16

此题由tian275461提供。题目非常困难,仅供观赏(水平一般的同学请勿模仿 )。

求积分
I=10lnxx2x1dx
解(tian275461)


由方程x2x1=0 的两个根,为了简单起见,我们记r1=φ=1+52,r2=152=1φ,
r1r2=5,φ2=φ+1,φ1φ=1φ2
则有

I=10lnxx2x1dx=1r1r210lnx(1xφ1x(1φ))dx=1510lnx(1xφφφx+1)dx=1510lnxxφdxφ510lnyφy+1dy=151φ0lnφuu1du15φ0lnuφu+1du=lnφ5(1φ01u1du+φ01u+1du)15(φ0lnu1+udu+1φ0lnu1udu)=lnφ5lnφ21φ15(φ0lnu1+udu+1φ0lnu1udu)=15(φ0lnu1+udu+1φ0lnu1udu)=15(1+φ1ln(u1)udu+1φ0lnu1udu)=15(φ21ln(u1)udu+1φ0lnu1udu)=15(11φ2ln(1u)lnuudu+1φ0lnu1udu)=15(1φ0lnuln(1u)udu+1φ0lnu1udu)=251φ0lnu1udu+151φ0ln(1u)1udu=251φ0lnu1udu25ln2φ=2511φ2ln(1u)udu25ln2φ=25(10ln(1u)udu1φ20ln(1u)udu)25ln2φ=π23525\Li2(1φ2)25ln2φ=π23525(π215ln2φ)25ln2φ=π255

最后一步用了dilogarithm函数的性质,详细可以参见http://mathworld.wolfram.com/Dilogarithm.html

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简单一点的做法

我们有
\Li2(x)=x0ln(1t)tdt

10lnxxa=1a10lnx1xadx=1a(10ln(xa)1xadx+lna1011xadx)=1a0lnt1tdtlnaa1011xadx=1a0ln(1t)tdt=\Li2(1a)
注意到
x2x1=(x1+52)(x152)
I=10lnxx2x1dx=15(10lnxx5+12dx10lnxx152dx)=15(\Li2(512)\Li2(5+12))
ϕ=5+12,则
I=15(\Li2(1ϕ)\Li2(ϕ))
我们还知道公式
\Li2(1ϕ)=110π2ln2ϕ
\Li2(ϕ)=110π2ln2ϕ

I=155π2

Feb 16

2011年的圣诞节,越南Le Hai贴出了下面不等式并祝福所有Mathlinker圣诞快乐!

Let a,b,c be reals such that a+b+c=0 and a2+b2+c2=3. Prove that a5b+b5c+c5a3.
 

事实上,用Maple因式分解不难得到它等价于

(a3+6a2b+3ab2b3)20

只要做点齐次化工作就好。

但过了很久都没看见更理想的证明,直到前不久,tian275461网友给了一个基于三角函数的证明,Can神表示他有Cauchy-Schwarz proof,但他就是不肯说。

Proof (tian 275461)

we use c=abput in a2+b2+c2=3then  a2+ab+b2=32
let a=xy,b=x+y,c=2x,and 3x2+y2=32
so we can let
x=22cost,y=62sint,t(0,2π)
a5+b5c+c5a=(xy)5(x+y)2x(x+y)532x5(xy)=(22cost62sint)5(22cost+62sint)222cost(22cost+62sint)532(22cost)5(22cost62sint)=38[102sin(6tπ6)]3

 

同时,下面推广可以同样证明:

1 if a+b+c=0,a2+b2+c2=3,then

3264a4b+b4c+c4a3264

2 if a+b+c=0,a2+b2+c2=3,then
322a2b+b2c+c2a322

3: if a+b+c=0,a2+b2+c2=3,then
9388a6b+b6c+c6a9388

希望以后能看见Can神的CS proof.

。。。。。

2013年3月1日,Vo Quoc Ba Can 终于发了究极的Cauchy-Schwarz proof
Proof. Since a+b+c=0 and a2+b2+c2=3, it is easy to obtain the below results:

{ab+bc+ca=32,a3b+b3c+c3a=(ab+bc+ca)2=94,ab2+bc2+ca2+3abc=(a2b+b2c+c2a),a3b3+b3c3+c3a3=(ab+bc+ca)3+3a2b2c2=278+3a2b2c2,(4ab+2c2+6bc+3)2=54,

With these results, we have
a5b+b5c+c5a=a5b=a3b(3b2c2)=3a3ba3b3abcab2=274+2783a2b2c2abcab2=278+abca2b.
 Therefore, it suffices to prove that
 abc(a2b+b2c+c2a)38.
On the other hand, using the Cauchy-Schwarz inequality, we have
 [a(4ab+2c2+6bc+3)]2(a2)[(4ab+2c2+6bc+3)2]=162.
  From this, it follows that
  92a(4ab+2c2+6bc+3)92,
   or
   32a2b+b2c+c2a+3abc32.
    The last inequality yields:
    (a2b+b2c+c2a+3abc)292
 Using (2) and the AM-GM inequality, we have
abc(a2b+b2c+c2a)=133abc(a2b+b2c+c2a)13(3abc+a2b+b2c+c2a2)238,
      which is (1). So, we are done.

Feb 16

x,y,z为非负数
xyxy+yz334(x+y)(y+z)(x+z)x+y+z
证明:
首先,用x=bc,y=ac,z=ab替换,我们可以把不等式写成
xx+y+yy+z+zz+x334(x+y)(y+z)(z+x)xy+yz+xz
由于不等式是cyclic型,故可以设(yx)(yz)0\\
cycx(x+y)(x+z)1(x+y)(y+z)334xy+yz+xz
现在,使用排序不等式
LHSx(x+y)(x+z)1(y+z)(z+x)+y(y+z)(y+x)1(y+z)(y+x)+z(z+x)(z+y)1(x+y)(x+z)
=y(y+z)(y+x)+1(y+z)(y+x)=1xy+yz+xzxy+yz+xz(y+z)(y+x)(1+y(y+z)(y+x))
t=y(y+x)(y+z)1我们有
xy+yz+xz(y+x)(y+z)=1t2
使用AM-GM
1xy+yz+xzxy+yz+xz(y+z)(y+x)(1+y(y+z)(y+x))=(1+t)1t2
=(1+t)(1+t)(1+t)3(1t)3334
Done!

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我想

利用上面那个证明

xyxy+yz334(x+y)(y+z)(x+z)x+y+z22(x+y+z)

应该没有技术上的困难。