积分不等式是微积分学中的一类重要不等式,也为解决微分方程等方面的问题提供了 富有成效的理论工具。主要有杨不等式,
施瓦兹不等式,
闵可夫斯基不等式,
延森不等式等。
杨不等式
有关
函数及其反函数积分的不等式。设f在 上连续,且严格增, ,则对任意的a≥0及
有
其中 是 的反函数,等号当且仅当 时成立.这个不等式是杨(Young,W.H.)于1912年建立的.它有明显的几何意义:如图1,图形OAC与OEB的面积之和不小于矩形OADB的面积。反之,若f,g在 上连续,且严格增, , ,且对任意a,b>0,有
则 。
从杨不等式可以得到一些有用的不等式,如 (也有人称为杨不等式),其中1/p+1/q=1,p>1,q>1,a,b≥0,等号当且仅当 时成立。若f: → ,右连续且增, ,则f(x)称为杨函数。若对杨函数f(x),定义其右反函数 为:y∈[0,f(0)]时, ;而 时, 。则对a,b≥0,有
等号当且仅当 或 时成立。
杨不等式可以推广(1989)为
其中f在上连续,严格增,φ,ψ分别在与上可微,且同增或同减,等式当且仅当,或φ在a与之间为常值,或ψ在f(a)与b之间为常值时成立。当φ,ψ之一增,另一减时不等号反向。一般地,对(0,+∞)上的任意实函数f,g及x>0,y>0,xy≤f(x)+g(y)称为杨型不等式。杨型不等式成立的一个
充分必要条件(1984)是:存在(0,+∞)上的非负函数p,q,常数c及杨函数φ,使
及
上述不等式中的等号成立,当且仅当p(x)=q(y)=0,且φ(x)=y或时。
施瓦兹不等式
赫尔德不等式中用得最普遍的是p=q=2的情况,此时的赫尔德不等式称为施瓦兹不等式,有时也称为
柯西不等式或布尼亚科夫斯基不等式。
闵可夫斯基不等式
(1)对所有的正实数有
更一般地,对时有
当且仅当时等号成立。这个不等式叫闵可夫斯基不等式。
(2)设E为中的勒贝格
可测集,f(x),g(x)为E上p次实值可积函数,则f(x)+g(x)是E上p次可积函数,并且:
上述不等式称为闵可夫斯基不等式。当p>1时,闵可夫斯基不等式中等号成立当且仅当存在两个不全为零的常数,,使得:
(3)序列形式的闵可夫斯基不等式。
设为两个实数列,满足条件
则
上面不等式中等号成立当且仅当存在两个不全为零的常数,,使得
延森不等式
有关凸函数的一个不等式。它的离散形式是
式中f是I上的凸函数,,,,等号当且仅当或f是线性函数时成立;
延森不等式的积分形式是
式中I是区间,f在包含x(I)的区间上是凸函数,函数x在I上可积,q(t)≥0,且
等号当且仅当x是常值函数或f是线性函数时成立。上述不等式等价于
式中不全为0,非负,f同上;
式中p(t)>0,其他条件同上。
以上不等式中,I可以换成凸集(这时积分应为勒贝格积分)。当f是凹函数时不等号反向。适当地选择f,或函数q,可以得到许多著名的不等式。例如,取f(x)=-ln x(x>0)及,可以得到平均不等式与赫尔德不等式。离散形式的
延森不等式是赫尔德(Ho¨lder,O.L.)于1889年得到的,积分形式是延森(Jensen,J.L.W.V.)于1906年建立的。