Hadwigerの不等式

更新日時 2021/03/07

有名な幾何不等式を2つ紹介します。Hadwiger-Finsler の不等式は数学オリンピックの練習問題にちょうどいい難易度なので,やる気のある人は証明を考えてみてください!

目次
  • 二つの幾何不等式

  • 不等式の関係

  • Hadwiger の不等式の証明

二つの幾何不等式

三角形 ABCABC の三辺の長さを a,b,ca,b,c,面積を SS とおくとき,

Hadwiger-Finsler の不等式

2ab+2bc+2caa2b2c243S2ab+2bc+2ca-a^2-b^2-c^2\geq 4\sqrt{3}S

等号成立条件は三角形 ABCABC が正三角形であること。

さらに,別の三角形 PQRPQR の三辺の長さを p,q,rp,q,r,面積を TT とおくとき,

Neuberg-Pedoeの不等式

p2(a2+b2+c2)+q2(a2b2+c2)+r2(a2+b2c2)16STp^2(-a^2+b^2+c^2)+q^2(a^2-b^2+c^2)+r^2(a^2+b^2-c^2)\geq 16ST

等号成立条件は,三角形 ABCABCPQRPQR が相似であること。

不等式の関係

証明の前に,いずれの不等式もWeitzenbockの不等式a2+b2+c243Sa^2+b^2+c^2\geq 4\sqrt{3}S)の拡張になっていることを確認します。

  • Hadwiger の不等式については,
    a2+b2+c2(ab)2+(bc)2+(ca)2+43Sa^2+b^2+c^2\geq (a-b)^2+(b-c)^2+(c-a)^2 +4\sqrt{3}S と変形できることからわかります。

  • Pedoe の不等式については,
    三角形 PQRPQR は1辺が1の正三角形の場合 p=q=r=1(p=q=r=1) を考えると,正三角形の面積,正四面体の体積より T=34T=\dfrac{\sqrt{3}}{4} となり Weitzenbock の不等式と一致します。

Hadwiger の不等式の証明

方針

全ての情報を三辺の長さで表してからRavi変換を用いるのが定石の1つです。面積を三辺の長さで表すためにヘロンの公式を用います。

証明

ヘロンの公式より,4S=(a+b+c)(a+bc)(ab+c)(a+b+c)4S=\sqrt{(a+b+c)(a+b-c)(a-b+c)(-a+b+c)}

ここで,Ravi変換: a=x+y,b=y+z,c=z+xa=x+y,b=y+z,c=z+x を用いると示すべき不等式は,

xy+yz+zx3xyz(x+y+z)xy+yz+zx\geq\sqrt{3xyz(x+y+z)}

となるが,両辺を二乗して整理すると,

x2y2+y2z2+z2x2x2yz+xy2z+xyz2x^2y^2+y^2z^2+z^2x^2\geq x^2yz+xy^2z+xyz^2

この不等式は,[2,2,0][2,2,0][2,1,1][2,1,1] の場合のMuirheadの不等式なので成立することがすぐに分かる。

※Muirheadの不等式は見通しをよくするためにぜひとも知っておいて欲しい不等式ですが,知らない場合は,有名不等式 A2+B2+C2AB+BC+CAA^2+B^2+C^2\geq AB+BC+CAA=xy,B=yz,C=zxA=xy,B=yz,C=zx を代入しても示せます(→有名不等式a^2+b^2+c^2≧ab+bc+caのいろいろな証明)。

Pedoe の不等式の証明は代数的にやろうとするとかなり複雑なので省略します。

私は幾何不等式が大好きです。