2026年1月14日星期三

四个“反向 / companion”不等式(按“缺口坐标”统一构造)

四个反向/companion 不等式(缺口坐标法)

四个“反向 / companion”不等式(按“缺口坐标”统一构造)

0) 统一记号

  • \(n\ge 2\)。
  • 当 \(p>1\) 时,令 \(q=\dfrac{p}{p-1}\),则 \(\dfrac1p+\dfrac1q=1\)。
  • 默认相应表达式取非负/正值以保证幂、根号、对数有意义。

1) Cauchy ⇔ Aczél(\(p=2\))

定理Aczél 不等式

\[ a_1^2\ge\sum_{i=2}^n a_i^2,\qquad b_1^2\ge\sum_{i=2}^n b_i^2, \]

\[ \Bigl(a_1b_1-\sum_{i=2}^n a_ib_i\Bigr)^2 \ge \Bigl(a_1^2-\sum_{i=2}^n a_i^2\Bigr) \Bigl(b_1^2-\sum_{i=2}^n b_i^2\Bigr). \]

等价形式:

\[ \sqrt{a_1^2-\sum_{i=2}^n a_i^2}\; \sqrt{b_1^2-\sum_{i=2}^n b_i^2} \le a_1b_1-\sum_{i=2}^n a_ib_i. \]

证明判别式 / 二次型法

\[ f(t)=(a_1t-b_1)^2-\sum_{i=2}^n (a_it-b_i)^2 =\alpha t^2-2\beta t+\gamma, \]

其中

\[ \alpha=a_1^2-\sum_{i=2}^n a_i^2\ge0,\quad \beta=a_1b_1-\sum_{i=2}^n a_ib_i,\quad \gamma=b_1^2-\sum_{i=2}^n b_i^2\ge0. \]

注意

\[ f(t)=\|(a_1,-a_2,\dots,-a_n)t-(b_1,-b_2,\dots,-b_n)\|_2^2\ge0 \quad(\forall t\in\mathbb R). \]

因此二次多项式判别式 \(\Delta=4(\beta^2-\alpha\gamma)\le0\), 即 \(\beta^2\ge\alpha\gamma\),得证。

2) Minkowski ⇔ Bellman(一般 \(p\ge1\))

定理Bellman 不等式

\[ a_1^p\ge\sum_{i=2}^n a_i^p,\qquad b_1^p\ge\sum_{i=2}^n b_i^p\qquad (p\ge1), \]

\[ \Bigl(a_1^p-\sum_{i=2}^n a_i^p\Bigr)^{1/p} + \Bigl(b_1^p-\sum_{i=2}^n b_i^p\Bigr)^{1/p} \le \Bigl((a_1+b_1)^p-\sum_{i=2}^n (a_i+b_i)^p\Bigr)^{1/p}. \]

证明缺口坐标 + Minkowski

\[ A=\Bigl(a_1^p-\sum_{i=2}^n a_i^p\Bigr)^{1/p},\qquad B=\Bigl(b_1^p-\sum_{i=2}^n b_i^p\Bigr)^{1/p}. \]

构造向量

\[ x=(A,a_2,\dots,a_n),\qquad y=(B,b_2,\dots,b_n). \]

对 \(p\)-范数用 Minkowski:

\[ \|x+y\|_p\le\|x\|_p+\|y\|_p. \]

展开:

\[ \Bigl((A+B)^p+\sum_{i=2}^n(a_i+b_i)^p\Bigr)^{1/p} \le \Bigl(A^p+\sum_{i=2}^n a_i^p\Bigr)^{1/p} + \Bigl(B^p+\sum_{i=2}^n b_i^p\Bigr)^{1/p}. \]

又因 \(A^p+\sum_{i=2}^n a_i^p=a_1^p\)、\(B^p+\sum_{i=2}^n b_i^p=b_1^p\),右边为 \(a_1+b_1\)。 移项即得

\[ A+B\le\Bigl((a_1+b_1)^p-\sum_{i=2}^n (a_i+b_i)^p\Bigr)^{1/p}. \]

3) Hölder ⇔ A–P–V–P(Aczél–Popoviciu 型,\(p,q\) 共轭)

定理Aczél–Popoviciu / A–P–V–P 基本型

取 \(p>1\),\(q=\dfrac{p}{p-1}\)。若

\[ a_1^p>\sum_{i=2}^n a_i^p,\qquad b_1^q>\sum_{i=2}^n b_i^q, \]

\[ \Bigl(a_1^p-\sum_{i=2}^n a_i^p\Bigr)^{1/p} \Bigl(b_1^q-\sum_{i=2}^n b_i^q\Bigr)^{1/q} \le a_1b_1-\sum_{i=2}^n a_ib_i. \]

证明缺口坐标 + Hölder

\[ X=\Bigl(a_1^p-\sum_{i=2}^n a_i^p\Bigr)^{1/p},\qquad Y=\Bigl(b_1^q-\sum_{i=2}^n b_i^q\Bigr)^{1/q}. \]

对扩展序列 \((X,a_2,\dots,a_n)\) 与 \((Y,b_2,\dots,b_n)\) 用 Hölder:

\[ XY+\sum_{i=2}^n a_ib_i \le \Bigl(X^p+\sum_{i=2}^n a_i^p\Bigr)^{1/p} \Bigl(Y^q+\sum_{i=2}^n b_i^q\Bigr)^{1/q} = a_1b_1. \]

移项得证。

4) Log-sum ⇔ Gibbs(KL 非负的“缺口 companion”)

母式Log-sum 不等式

对 \(a_i,b_i>0\),

\[ \sum_{i=1}^n a_i\log\frac{a_i}{b_i} \ge \Big(\sum_{i=1}^n a_i\Big)\log\frac{\sum_{i=1}^n a_i}{\sum_{i=1}^n b_i}. \]

若 \(\sum a_i=\sum b_i\)(例如 \(p,q\) 为概率分布),得到 Gibbs:

\[ \sum_{i=1}^n p_i\log\frac{p_i}{q_i}\ge0. \]

定理Gibbs 的“缺口 companion”形式

设 \(p_i,q_i>0\) 且(可重排指标)

\[ p_1\ge\sum_{i=2}^n p_i,\qquad q_1\ge\sum_{i=2}^n q_i. \]

令缺口

\[ A=p_1-\sum_{i=2}^n p_i,\qquad B=q_1-\sum_{i=2}^n q_i\quad(\ge0), \]

\[ p_1\log\frac{p_1}{q_1} \le A\log\frac{A}{B}+\sum_{i=2}^n p_i\log\frac{p_i}{q_i}. \]

证明缺口坐标 + log-sum

对扩展序列

\[ (a_0,a_2,\dots,a_n)=(A,p_2,\dots,p_n),\qquad (b_0,b_2,\dots,b_n)=(B,q_2,\dots,q_n) \]

应用 log-sum:

\[ A\log\frac{A}{B}+\sum_{i=2}^n p_i\log\frac{p_i}{q_i} \ge \Bigl(A+\sum_{i=2}^n p_i\Bigr)\log\frac{A+\sum_{i=2}^n p_i}{B+\sum_{i=2}^n q_i} = p_1\log\frac{p_1}{q_1}. \]

即得结论。

取等条件同 log-sum:\(\frac{A}{B}=\frac{p_2}{q_2}=\cdots=\frac{p_n}{q_n}\)。

备注:若“首项占优”条件不满足,可通过合并若干坐标成一组后再做“缺口坐标”构造,以保证缺口非负。

四个“反向 / companion”不等式(按“缺口坐标”统一构造)

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