n维向量数量积法证明柯西不等式 柯西不等式的证明方法

构造n维空间(可以超越三维,这里只是理论分析)

其中有从原点O分别指向A、B两点的两个非零向量,分别记为ab

A点坐标为(a1,a2,a3,…,an),B点坐标为(b1,b2,b3,…,bn)

则向量a在第一维上的投影为a1

a在前两维上的投影为(a12+a22)1/2

a在前三维上的投影为{[(a12+a22)1/2]2+a32}1/2=(a12+a22+a32)1/2

…………

a在前n维上的投影为(a12+a22+a32+…+an2)1/2

也即其模|a|=(a12+a22+a32+…+an2)1/2

同理可得|b|=(b12+b22+b32+…+bn2)1/2

现设第一、二、三、……、n维上的单位向量分别为k1k2k3、…、kn

各维相互垂直,则各单位向量也相互垂直,故有

kx·ky=0(x≠y),kx·kx=1

将向量ab改写为坐标形式

a=a1k1+a2k2+a3k3+…+anknb=b1k1+b2k2+b3k3+…+bnkn

则根据向量内积分配率,有

a·b

=(a1k1+a2k2+…+ankn)·(b1k1+b2k2+…+bnkn)

=a1k1·(b1k1+b2k2+…+bnkn)+a2k2·(b1k1+b2k2+…+bnkn)+…+ankn·(b1k1+b2k2+…+bnkn)

=a1b1k1·k1+a1b2k1·k2+…+a1bnk1·kn+a2b1k2·k1+a2b2k2·k2+…+a2bnk2·kn+…+anb1kn·k1+anb2kn·k2+…+anbnkn·kn

=a1b1+a2b2+…+anbn

由内积定义,得

a·b=cos∠AOB*|a|*|b|

cos∠AOB=a·b/(|a|*|b|)

n维向量数量积法证明柯西不等式 柯西不等式的证明方法

cos∠AOB=(a1b1+a2b2+…+anbn)/[(a12+a22+a32+…+an2)1/2*(b12+b22+b32+…+bn2)1/2]

显然,|cos∠AOB|≤1,则

|a1b1+a2b2+…+anbn|/[(a12+a22+a32+…+an2)1/2*(b12+b22+b32+…+bn2)1/2]≤1

(a12+a22+a32+…+an2)1/2*(b12+b22+b32+…+bn2)1/2≥|a1b1+a2b2+…+anbn|≥0

(a12+a22+…+an2)(b12+b22+…+bn2)≥(a1b1+a2b2+…+anbn)2

若取等号,即|cos∠AOB|=1,两向量共线

则a1/b1=a2/b2=…=an/bn

以上均为非零向量的情况。若有一向量模为0,则其坐标均为0,不等式形式为0≥0,仍正确

最终得到柯西不等式

(a12+a22+…+an2)(b12+b22+…+bn2)≥(a1b1+a2b2+…+anbn)2

当且仅当a1/b1=a2/b2=…=an/bn时等号成立

或写做:

Σai2*Σbi2≥(Σaibi)2,当且仅当ai∝bi时等号成立

  

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