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柯西—布尼亚科夫斯基—施瓦茨不等式 - Wikipedia

柯西—布尼亚科夫斯基—施瓦茨不等式

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數學上,柯西—施瓦茨不等式,又稱施瓦茨不等式柯西—布尼亞科夫斯基—施瓦茨不等式,是一條很多場合都用得上的不等式,例如線性代數矢量數學分析無窮級數和乘積的積分,和概率論方差協方差。不等式以奧古斯丁·路易·柯西(Augustin Louis Cauchy),赫爾曼·阿曼杜斯·施瓦茨(Hermann Amandus Schwarz),和維克托·雅科夫列維奇·布尼亞科夫斯基(Виктор Яковлевич Буняковский)命名。

柯西—施瓦茨不等式說,若xy內積空間的元素,那麼

\big| \langle x,y\rangle \big|^2 \leq \langle x,x\rangle \cdot \langle y,y\rangle

等式成立當且僅當xy線性相關

柯西—施瓦茨不等式的一個重要結果,是內積為連續函數

柯西—施瓦茨不等式有另一形式,可以用範的寫法表示:

|\langle x,y\rangle| \leq \|x\| \cdot \|y\|\,

[编辑] 證明

  • 實內積空間的情形:
注意到y = 0時不等式顯然成立,所以可假設\langle y,y\rangle非零。對任意\lambda \in \mathbb{R},可知
0 \leq \langle x-\lambda y,x-\lambda y \rangle
= \langle x-\lambda y,x \rangle - \lambda \langle x-\lambda y,y \rangle
= (\langle x,x\rangle - \lambda \langle x,y \rangle)- \lambda (\langle x,y \rangle - \lambda \langle y,y \rangle)
= (\|x\|^2- \lambda \langle x,y \rangle)- \lambda (\langle x,y \rangle - \lambda \|y\|^2)
現在取值\lambda = \langle x,y \rangle \cdot \|y\|^{-2},代入後得到
0 \leq \|x\| ^2 - \langle x,y \rangle^2 \cdot \|y\|^{-2}
因此有
\big| \langle x,y \rangle \big| \leq \|x\| \|y\|
  • 複內積空間的情形
證明類上。對任意\lambda \in \mathbb{C},可知
0 \leq \langle x-\lambda y,x-\lambda y \rangle
= \langle x-\lambda y,x \rangle - \overline\lambda \langle x-\lambda y,y \rangle
= (\|x\|^2 - \lambda \overline{\langle x,y \rangle}) - \overline\lambda (\langle x,y \rangle - \lambda \|y \|^2)
現在取值\lambda = \langle x,y \rangle \cdot \|y\|^{-2},代入後得到
0 \leq \|x\|^2 - \big| \langle x,y \rangle \big|^2 \cdot \|y\|^{-2}
因此有
\big| \langle x,y \rangle \big| \leq \|x\| \|y\|

[编辑] 特例

\left(\sum_{i=1}^n x_i y_i\right)^2\leq \left(\sum_{i=1}^n x_i^2\right) \left(\sum_{i=1}^n y_i^2\right)
  • 對平方可積的複值函數,有
\left|\int f^*(x)g(x)\,dx\right|^2\leq\int \left|f(x)\right|^2\,dx \cdot \int\left|g(x)\right|^2\,dx

這兩例可更一般化為赫爾德不等式

  • 在3維空間,有一個較強結果值得注意:原不等式可以增強至等式
\langle x,x\rangle \cdot \langle y,y\rangle = |\langle x,y\rangle|^2 + |x \times y|^2

[编辑] 參見

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