解決済み

ff[0,1][0, 1] で積分可能で,01f(x)dx=01xf(x)dx=1\displaystyle\int_{0}^{1}f(x)dx=\int_{0}^{1}xf(x)dx=1 であるとする.このとき01{f(x)}2dx4\int_{0}^{1}\{f(x)\}^2dx\ge 4

であることを示してください.

ベストアンサー

ベストアンサー

Cauchy-Schwarz から,

(01f(x)(ax+b)dx)201f(x)2dx01(ax+b)2dx \left(\int_0^1 f(x)(ax + b)dx\right)^2 \leqq \int_0^1 f(x)^2 dx \cdot \int_0^1 (ax + b)^2 dx.

よって,

01f(x)23(a+b)2a2+3ab+3b2 \int_0^1 f(x)^2 \geqq \frac{3(a + b)^2}{a^2 + 3ab + 3b^2}.

右辺は分子・分母が 22 次の斉次式なので,t=a/bt = a/b と変数変換してみると

01f(x)23(t+1)2t2+3t+3 \int_0^1 f(x)^2 \geqq \frac{3(t + 1)^2}{t^2 + 3t + 3}.

ここで t=3t = -3 とすれば右辺は 44a,ba,b の任意性から,a/b=3a/b = -3 とすることは可能です.

返信(2件)

ありがとうざいます!Cauchy-Schwarzの不等式を用いた解答で,しかも美しい議論で,大変参考になりました.

実は,投稿から現在までの間に別の方法によって自分で解決していたので,お礼にそれを紹介いたします.


 函数f(x)f(x)は,区間[0,1][0, 1]で積分可能で,01f(x)dx=01xf(x)dx=1\int_0^1f(x)dx=\int_0^1xf(x)dx=1であるとする.これに対し,g(x)=6x2g(x)=6x-2f(x)=g(x)+h(x)f(x)=g(x)+h(x)によって函数gghhを定める.このとき

01g(x)=01xg(x)dx=1\int_0^1g(x)=\int_0^1xg(x)dx=1

に注意すれば,

01f(x)dx=01g(x)dx+01h(x)dx,\int_0^1f(x)dx=\int_0^1g(x)dx+\int_0^1h(x)dx,

01xf(x)dx=01xg(x)dx+01xh(x)dx\int_0^1xf(x)dx=\int_0^1xg(x)dx+\int_0^1xh(x)dx

から,次を得る.

01h(x)dx=01xh(x)dx=0.\int_0^1h(x)dx=\int_0^1xh(x)dx=0.

(次に続く.)

ゆえに

01g(x)h(x)dx=601xh(x)dx201h(x)dx=0\int_0^1g(x)h(x)dx=6\int_0^1xh(x)dx-2\int_0^1h(x)dx=0

したがって,

01{f(x)}2dx=01{g(x)}2dx+201g(x)h(x)dx+01{h(x)}2dx\int_0^1\{f(x)\}^2dx = \int_0^1\{g(x)\}^2dx+2\int_0^1g(x)h(x)dx+\int_0^1\{h(x)\}^2dx

=01{g(x)}2dx+01{h(x)}2dx=\int_0^1\{g(x)\}^2dx+\int_0^1\{h(x)\}^2dx

01{g(x)}2dx=4\ge\int_0^1\{g(x)\}^2dx=4

すなわち01{f(x)}2dx4.\int_0^1\{f(x)\}^2dx\ge4.

なお,等式成立は区間[0,1][0, 1]において常にh(x)=0h(x)=0すなわちf(x)=6x2f(x)=6x-2のとき.

そのほかの回答(0件)