Неравенство Седракяна

В элементарной математике, следующее неравенство известно как неравенство Седракяна, неравенство Бергстрема, форма Энгеля или лемма Титу соответственно, отсылая к статье «О приложениях одного полезного неравенства» Наири Седракяна, опубликованной в 1997 году,^[1] к книге «Стратегии решения задач». Артура Энгеля, опубликованной в 1998 году, и книге «Сокровища математических олимпиад» Титу Андрееску, опубликованной в 2003 году.^[2][3] Это прямое следствие неравенства Коши-Буняковского-Шварца. В своей статье (1997) Седракян заметил, что это неравенство может быть использовано как метод математического доказательства и имеет очень полезные новые применения. В книге «Алгебраические неравенства» (Седракян) дано несколько обобщений этого неравенства.^[4]

Формулировка неравенства

Для любых вещественных ${\displaystyle a_{1},a_{2},a_{3},\ldots ,a_{n}}$ и положительных чисел${\displaystyle b_{1},b_{2},b_{3},\ldots ,b_{n},}$ верно:

${\displaystyle {\frac {a_{1}^{2}}{b_{1}}}+{\frac {a_{2}^{2}}{b_{2}}}+\cdots +{\frac {a_{n}^{2}}{b_{n}}}\geq {\frac {\left(a_{1}+a_{2}+\cdots +a_{n}\right)^{2}}{b_{1}+b_{2}+\cdots +b_{n}}}.}$

(Наири Седракян (1997), Артур Энгель (1998), Титу Андрееску (2003))

Вероятностное утверждение

Подобно неравенству Коши-Шварца, неравенство Седракяна можно обобщить на случайную величину . В этой формулировке пусть ${\displaystyle X}$ — действительная случайная величина, и пусть ${\displaystyle Y}$ — положительная случайная переменная. X и Y не обязательно должны быть независимыми, но мы предполагаем, что ${\displaystyle E[|X|]}$ и ${\displaystyle E[Y]}$ определены. Тогда $${\displaystyle \operatorname {E} [X^{2}/Y]\geq \operatorname {E} [|X|]^{2}/\operatorname {E} [Y]\geq \operatorname {E} [X]^{2}/\operatorname {E} [Y].}$$

Прямые приложения

Пример 1. Неравенство Несбитта.

Для положительных действительных чисел ${\displaystyle a,b,c:}$${\displaystyle {\frac {a}{b+c}}+{\frac {b}{a+c}}+{\frac {c}{a+b}}\geq {\frac {3}{2}}.}$

Пример 2. Международная математическая олимпиада (ИМО) 1995 г.

Для положительных действительных чисел ${\displaystyle a,b,c}$, где ${\displaystyle abc=1}$ выполняется:

${\displaystyle {\frac {1}{a^{3}(b+c)}}+{\frac {1}{b^{3}(a+c)}}+{\frac {1}{c^{3}(a+b)}}\geq {\frac {3}{2}}.}$

Пример 3.

Для положительных действительных чисел ${\displaystyle a,b}$ имеем ${\displaystyle 8(a^{4}+b^{4})\geq (a+b)^{4}.}$

Пример 4.

Для положительных действительных чисел ${\displaystyle a,b,c}$ верно ${\displaystyle {\frac {1}{a+b}}+{\frac {1}{b+c}}+{\frac {1}{a+c}}\geq {\frac {9}{2(a+b+c)}}.}$

Доказательства

Пример 1.

Доказательство: Используем ${\displaystyle n=3,}$${\displaystyle \left(a_{1},a_{2},a_{3}\right):=(a,b,c),}$ и ${\displaystyle \left(b_{1},b_{2},b_{3}\right):=(a(b+c),b(c+a),c(a+b))}$, тогда:

$${\displaystyle {\frac {a^{2}}{a(b+c)}}+{\frac {b^{2}}{b(c+a)}}+{\frac {c^{2}}{c(a+b)}}\geq {\frac {(a+b+c)^{2}}{a(b+c)+b(c+a)+c(a+b)}}={\frac {a^{2}+b^{2}+c^{2}+2(ab+bc+ca)}{2(ab+bc+ca)}}={\frac {a^{2}+b^{2}+c^{2}}{2(ab+bc+ca)}}+1\geq {\frac {1}{2}}(1)+1={\frac {3}{2}}.\blacksquare }$$

Пример 2.

Имеем ${\displaystyle {\frac {{\Big (}{\frac {1}{a}}{\Big )}^{2}}{a(b+c)}}+{\frac {{\Big (}{\frac {1}{b}}{\Big )}^{2}}{b(a+c)}}+{\frac {{\Big (}{\frac {1}{c}}{\Big )}^{2}}{c(a+b)}}\geq {\frac {{\Big (}{\frac {1}{a}}+{\frac {1}{b}}+{\frac {1}{c}}{\Big )}^{2}}{2(ab+bc+ac)}}={\frac {ab+bc+ac}{2a^{2}b^{2}c^{2}}}\geq {\frac {3{\sqrt[{3}]{a^{2}b^{2}c^{2}}}}{2a^{2}b^{2}c^{2}}}={\frac {3}{2}}.}$

Пример 3.

Верно ${\displaystyle {\frac {a^{2}}{1}}+{\frac {b^{2}}{1}}\geq {\frac {(a+b)^{2}}{2}}}$, так что ${\displaystyle a^{4}+b^{4}={\frac {\left(a^{2}\right)^{2}}{1}}+{\frac {\left(b^{2}\right)^{2}}{1}}\geq {\frac {\left(a^{2}+b^{2}\right)^{2}}{2}}\geq {\frac {\left({\frac {(a+b)^{2}}{2}}\right)^{2}}{2}}={\frac {(a+b)^{4}}{8}}.}$

Пример 4.

У нас есть

${\displaystyle {\frac {1}{a+b}}+{\frac {1}{b+c}}+{\frac {1}{a+c}}\geq {\frac {(1+1+1)^{2}}{2(a+b+c)}}={\frac {9}{2(a+b+c)}}.}$

Ссылки и примечания

1. Sedrakyan. About the applications of one useful inequality  (неопр.) 42–44, 97(2), Moscow. Kvant Journal (1997). Дата обращения: 1 июня 2024. Архивировано 27 февраля 2024 года.
2. Sedrakyan, Nairi. A useful inequality. — Springer International publishing, 1997. — P. 107. — ISBN 9783319778365. Архивная копия от 16 ноября 2023 на Wayback Machine
3. Statement of the inequality  (неопр.). Brilliant Math & Science (2018). Дата обращения: 1 июня 2024. Архивировано 26 июня 2024 года.
4. Sedrakyan, Nairi. Algebraic inequalities. — Springer International publishing, 2018. — P. 107–109. Архивная копия от 27 сентября 2020 на Wayback Machine