Неравенство Коши – Шварца - Cauchy–Schwarz inequality

В математика, то Неравенство Коши – Шварца, также известный как Неравенство Коши – Буняковского – Шварца., это полезный неравенство во многих математических областях, таких как линейная алгебра, анализ, теория вероятности, векторная алгебра и другие области. Считается одним из самых важных неравенств во всей математике.[1]

Неравенство сумм было опубликовано Огюстен-Луи Коши  (1821 ), а соответствующее неравенство для интегралов впервые было доказаноВиктор Буняковский  (1859 ). Современное доказательство целостной версии дано Герман Шварц  (1888 ).[1]

Формулировка неравенства

Неравенство Коши – Шварца утверждает, что для всех векторов и из внутреннее пространство продукта правда, что

куда это внутренний продукт. Примеры внутренних продуктов включают реальные и сложные скалярное произведение; увидеть примеры во внутреннем продукте. Точно так же, извлекая квадратный корень из обеих частей и обращаясь к нормы векторов неравенство записывается как[2][3]

Более того, обе стороны равны тогда и только тогда, когда и находятся линейно зависимый (что означает, что они параллельно: один из векторов является скалярным, кратным другому, или одна из их величин равна нулю).[4][5]

Если и , а внутренний продукт является стандартным сложным внутренним продуктом, то неравенство может быть переформулировано более явно следующим образом (где столбчатая нотация используется для комплексное сопряжение ): за , у нас есть

То есть,

Доказательства

Доказательство 1 —

Позволять и - произвольные векторы в векторном пространстве над с внутренним продуктом, где это поле действительных или комплексных чисел. Докажем неравенство

и это равенство выполняется тогда и только тогда, когда либо или же является кратным другому (включая особый случай, когда любой из них является нулевым вектором).

Если , ясно, что есть равенство, и в этом случае и также линейно зависимы, независимо от , значит, теорема верна. Аналогично, если . В дальнейшем предполагается, что не равно нулю.

Позволять

Тогда, по линейности внутреннего продукта в его первом аргументе, мы имеем

Следовательно, - вектор, ортогональный вектору (В самом деле, это проекция из на плоскость, ортогональную .) Таким образом, мы можем применить теорема Пифагора к

который дает

и после умножения на извлекая квадратный корень, получаем неравенство Коши – Шварца. Более того, если соотношение в приведенном выше выражении фактически является равенством, тогда и поэтому ; определение затем устанавливает связь линейной зависимости между и . С другой стороны, если и линейно зависимы, то существует такой, что (поскольку ). потом

Это доказывает теорему.

Доказательство 2 —

Позволять и быть произвольными векторами в пространстве внутреннего продукта над .

В частном случае Теорема тривиально верна. Теперь предположим, что . Позволять быть предоставленным , тогда

Следовательно, , или же .

Если неравенство выполняется как равенство, то , и так , таким образом и линейно зависимы. С другой стороны, если и линейно зависимы, то , как показано в первом доказательстве.

Больше доказательств

Есть много разных доказательств[6] неравенства Коши – Шварца, кроме двух приведенных выше примеров.[1][3] При обращении к другим источникам часто возникают два источника путаницы. Во-первых, некоторые авторы определяют ⟨⋅,⋅⟩ быть линейным в второй аргумент а не первый. Во-вторых, некоторые доказательства действительны только тогда, когда поле и нет .[7]

Особые случаи

Лемма Титу

Лемма Титу (названная в честь Титу Андрееску, также известная как лемма Т2, форма Энгеля или неравенство Седракяна) утверждает, что для положительных вещественных чисел

Это прямое следствие неравенства Коши – Шварца, полученного при подстановке и Эта форма особенно полезна, когда неравенство включает дроби, числитель которых представляет собой полный квадрат.

р2 (обычное двумерное пространство)

Неравенство Коши-Шварца в единичной окружности евклидовой плоскости

В обычном двумерном пространстве с скалярное произведение, позволять и . Неравенство Коши – Шварца состоит в том, что

куда это угол между и

Приведенная выше форма, пожалуй, самая легкая для понимания неравенства, поскольку квадрат косинуса может быть не более 1, что происходит, когда векторы находятся в одном или противоположных направлениях. Его также можно переформулировать в терминах векторных координат и в качестве

где равенство выполняется тогда и только тогда, когда вектор находится в том же или противоположном направлении, что и вектор или если один из них - нулевой вектор.

рп (п-мерное евклидово пространство)

В Евклидово пространство со стандартным скалярным произведением неравенство Коши – Шварца имеет вид

Неравенство Коши – Шварца в этом случае можно доказать, используя только идеи элементарной алгебры. Рассмотрим следующий квадратичный многочлен от

Поскольку он неотрицателен, он имеет не более одного реального корня для , следовательно, его дискриминант меньше или равно нулю. То есть,

откуда следует неравенство Коши – Шварца.

L2

Для внутреннего пространства продукта интегрируемый с квадратом комплексный функции, надо

Обобщением этого является Неравенство Гёльдера.

Приложения

Анализ

В неравенство треугольника для Евклидова норма часто показано как следствие неравенства Коши – Шварца следующим образом.

Данные векторы Икс и у,

Квадратный корень дает неравенство треугольника.

Неравенство Коши – Шварца используется для доказательства того, что скалярное произведение является непрерывная функция с уважением к топология вызвано самим внутренним продуктом.[8][9]

Геометрия

Неравенство Коши – Шварца позволяет распространить понятие «угол между двумя векторами» на любые настоящий внутреннее пространство продукта путем определения:[10][11]

Неравенство Коши – Шварца доказывает, что это определение разумно, показывая, что правая часть лежит в интервале [−1, 1], и оправдывает понятие, что (действительный) Гильбертовы пространства являются просто обобщениями Евклидово пространство. Его также можно использовать для определения угла в сложный внутренние пространства продукта, взяв абсолютное значение или действительную часть правой части,[12][13] как это делается при извлечении метрики из квантовая точность.

Теория вероятности

Позволять Икс, Y быть случайные переменные, то ковариационное неравенство[14][15] дан кем-то

После определения внутреннего продукта на множестве случайных величин с использованием математического ожидания их продукта,

неравенство Коши – Шварца принимает вид

Чтобы доказать ковариационное неравенство с помощью неравенства Коши – Шварца, пусть и , тогда

куда обозначает отклонение, и обозначает ковариация.

Обобщения

Существуют различные обобщения неравенства Коши – Шварца. Неравенство Гёльдера обобщает это на норм. В более общем смысле его можно интерпретировать как частный случай определения нормы линейного оператора на Банахово пространство (А именно, когда пространство Гильбертово пространство ). Дальнейшие обобщения даны в контексте теория операторов, например для операторно-выпуклых функций и операторные алгебры, где домен и / или диапазон заменены на C * -алгебра или же W * -алгебра.

Внутренний продукт может использоваться для определения положительный линейный функционал. Например, учитывая гильбертово пространство будучи конечной мерой, стандартный внутренний продукт дает положительный функционал к . Наоборот, всякий положительный линейный функционал на может использоваться для определения внутреннего продукта , куда это точечно комплексно сопряженный из . На этом языке неравенство Коши – Шварца принимает вид[16]

дословно продолжается до положительных функционалов на C * -алгебрах:

Теорема (Неравенство Коши – Шварца для положительных функционалов на C * -алгебрах):[17][18] Если является положительным линейным функционалом на C * -алгебре тогда для всех , .

Следующие две теоремы являются дополнительными примерами из операторной алгебры.

Теорема (Неравенство Кадисона – Шварца,[19][20] названный в честь Ричард Кэдисон ): Если является унитальным положительным отображением, то для каждого нормальный элемент в своей области мы имеем и .

Это расширяет факт , когда - линейный функционал. Случай, когда самосопряжен, т.е. иногда называют Неравенство Кадисона.

Теорема (Модифицированное неравенство Шварца для 2-положительных отображений):[21] Для 2-положительной карты между C * -алгебрами, для всех в своей области,

Другое обобщение - это уточнение, полученное интерполяцией между обеими частями неравенства Коши-Шварца:

Теорема (Неравенство Каллебаут)[22] Для реалов ,

Это легко доказать Неравенство Гёльдера.[23] Существуют также некоммутативные версии для операторов и тензорных произведений матриц.[24]

Смотрите также

Примечания

  1. ^ а б c Стил, Дж. Майкл (2004). Мастер-класс Коши – Шварца: введение в искусство математических неравенств. Математическая ассоциация Америки. п. 1. ISBN  978-0521546775. ... нет сомнений в том, что это одно из наиболее широко используемых и наиболее важных неравенств во всей математике.
  2. ^ Стрэнг, Гилберт (19 июля 2005). «3,2». Линейная алгебра и ее приложения (4-е изд.). Стэмфорд, Коннектикут: Cengage Learning. С. 154–155. ISBN  978-0030105678.
  3. ^ а б Хантер, Джон К .; Nachtergaele, Бруно (2001). Прикладной анализ. World Scientific. ISBN  981-02-4191-7.
  4. ^ Бахманн, Джордж; Наричи, Лоуренс; Бекенштейн, Эдвард (2012-12-06). Фурье и вейвлет-анализ. Springer Science & Business Media. п. 14. ISBN  9781461205050.
  5. ^ Хассани, Садри (1999). Математическая физика: современное введение в ее основы. Springer. п. 29. ISBN  0-387-98579-4. Равенство выполняется тогда и только тогда, когда = 0 или | c> = 0. Из определения | c> заключаем, что | a> и | b> должны быть пропорциональными.
  6. ^ Ву, Хуэй-Хуа; Ву, Шанхэ (апрель 2009 г.). «Различные доказательства неравенства Коши-Шварца» (PDF). Математический журнал Octogon. 17 (1): 221–229. ISBN  978-973-88255-5-0. ISSN  1222-5657. Получено 18 мая 2016.
  7. ^ Aliprantis, Charalambos D .; Граница, Ким С. (2007-05-02). Бесконечный анализ измерений: автостопом. Springer Science & Business Media. ISBN  9783540326960.
  8. ^ Бахман, Джордж; Наричи, Лоуренс (26 сентября 2012). Функциональный анализ. Курьерская корпорация. п. 141. ISBN  9780486136554.
  9. ^ Шварц, Чарльз (21 февраля 1994). Мера, интеграция и функциональные пространства. World Scientific. п. 236. ISBN  9789814502511.
  10. ^ Рикардо, Генри (21.10.2009). Современное введение в линейную алгебру. CRC Press. п. 18. ISBN  9781439894613.
  11. ^ Банерджи, Судипто; Рой, Аниндия (06.06.2014). Линейная алгебра и матричный анализ для статистики. CRC Press. п. 181. ISBN  9781482248241.
  12. ^ Валенца, Роберт Дж. (2012-12-06). Линейная алгебра: введение в абстрактную математику. Springer Science & Business Media. п. 146. ISBN  9781461209010.
  13. ^ Константин, Адриан (21 мая 2016 г.). Фурье-анализ с приложениями. Издательство Кембриджского университета. п. 74. ISBN  9781107044104.
  14. ^ Мухопадхьяй, Нитис (22 марта 2000 г.). Вероятность и статистический вывод. CRC Press. п. 150. ISBN  9780824703790.
  15. ^ Кинер, Роберт В. (08.09.2010). Теоретическая статистика: темы основного курса. Springer Science & Business Media. п. 71. ISBN  9780387938394.
  16. ^ Фариа, Эдсон де; Мело, Велингтон де (12 августа 2010 г.). Математические аспекты квантовой теории поля. Издательство Кембриджского университета. п. 273. ISBN  9781139489805.
  17. ^ Линь, Хуаксин (2001-01-01). Введение в классификацию аменабельных C * -алгебр. World Scientific. п. 27. ISBN  9789812799883.
  18. ^ Арвесон, В. (2012-12-06). Приглашение в C * -алгебры. Springer Science & Business Media. п. 28. ISBN  9781461263715.
  19. ^ Стёрмер, Эрлинг (13 декабря 2012 г.). Положительные линейные отображения операторных алгебр. Монографии Спрингера по математике. Springer Science & Business Media. ISBN  9783642343698.
  20. ^ Кадисон, Ричард В. (1952-01-01). «Обобщенное неравенство Шварца и алгебраические инварианты для операторных алгебр». Анналы математики. 56 (3): 494–503. Дои:10.2307/1969657. JSTOR  1969657.
  21. ^ Полсен, Верн (2002). Вполне ограниченные отображения и операторные алгебры. Кембриджские исследования в области высшей математики. 78. Издательство Кембриджского университета. п. 40. ISBN  9780521816694.
  22. ^ Каллебаут, Д.К. (1965). «Обобщение неравенства Коши – Шварца». J. Math. Анальный. Приложение. 12 (3): 491–494. Дои:10.1016 / 0022-247X (65) 90016-8.
  23. ^ Неравенство Каллебо. Запись в AoPS Wiki.
  24. ^ Moslehian, M.S .; Matharu, J.S .; Ауйла, Дж. (2011). «Некоммутативное неравенство Каллебо». arXiv:1112.3003 [math.FA ].

Рекомендации

внешняя ссылка