Нерівність Ерміта — Адамара

У математичному аналізі нерівність Ерміта — Адамара, встановлює межі інтегралу опуклої на інтервалі функції:

Ілюстрація нерівності Ерміта — Адамара.

Нерівності названі на честь Шарля Ерміта і Жака Адамара.

Попри те, що нерівності були відомими досить давно і для них є досить багато застосувань, вони не є настільки добре відомі, як деякі інші властивості опуклих функцій, зокрема нерівність Єнсена.

Доведення

Оскільки функція є опуклою на інтервалі, вона є неперервною і диференційовною справа і зліва у кожній точці інтервалу. Позначимо ліві і праві похідні і відповідно. Для кожного , введемо функцію

для якої

Зокрема для  :

Навпаки, зважаючи на опуклість f:

Проінтегрувавши отримуємо:

Застосування

  • Формула Стірлінга. Розглянемо функцію . Вона є опуклою оскільки . Використавши нерівність Ерміта — Адамара на інтервалі отримуємо
 .
Звідси для довільного натурального числа
або .
Ці нерівності можна використати для доведення формули Стірлінга. Для цього зручніше переписати останню нерівність пропотенціювавши її. Тоді формула Стірлінга може бути отримана, якщо ввести послідовність . Оскільки з означень , то з отриманих вище нерівностей . Звідси відразу отримуємо, що послідовність є спадною і обмеженою знизу, а послідовність є зростаючою і обмеженою зверху. Оскільки то . Тому для кожного натурального числа знайдеться таке , що . Повертаючись до означення послідовності отримуємо . За допомогою, наприклад, формули Валліса можна знайти[1] , що завершить доведення.
  • Нерівності між середніми. Розглянемо функцію . Вона є строго опуклою на всій множині дійсних чисел і тому для усіх згідно з нерівністю Ерміта — Адамара
.
Якщо взяти для додатних , то отримаємо:
,
тобто нерівності між геометричним, логарифмічним і арифметичним середніми.
  • Тригонометричні нерівності. Розглянемо функцію . На цьому проміжку функція є вгнутою. Тому згідно з нерівністю Ерміта — Адамара (в якій для вгнутих функцій лише треба змінити напрямок нерівностей) для  :
.
Нехай тепер . Тоді .
Використаємо тригонометричні тотожності і .
У першій нерівності вище після використання тотожності для різниці косинусів і скорочення отримаємо .
У другій нерівності після використання тотожностей для суми синусів і різниці косинусів і скорочень отримаємо . Позначивши , отримаємо відомі нерівності для всіх .

Оцінка точності нерівностей

  • Припустимо, що функція є опуклою і двічі диференційовною в усіх точках інтервалу і також для всіх . Тоді функції і теж є опуклими в цьому інтервалі. Застосування до цих функцій нерівностей Ерміта — Адамара дає оцінки точності
і
  • Нехай ліпшицева на інтервалі функція і — константа Ліпшиця цієї функції. Тоді
— нерівність Островського,
— нерівність Ієнґара.

Примітки

  1. Див. наприклад Фихтенгольц Г. М. Курс дифференциального и интегрального исчисления. — Москва : Наука, 1964. — Т. 2. — 800 с.(рос.), сторінка 371.

Див. також

Література

  • Niculescu, Constantin P.; Persson, Lars-Erik (2005). Convex Functions and their Applications: A Contemporary Approach. Springer-Verlag. ISBN 0-387-24300-3. Zbl 1100.26002.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.