題目
Problem
Suppose f2(x), g2(x), and f(x)g(x) are all integrable functions in the interval [0,1].
(a) (10 pts) Please prove the inequality
(∫01f2(x)dx)(∫01g2(x)dx)≥(∫01f(x)g(x)dx)2.
(Hint: (tf(x)+g(x))2≥0 for all x∈[0,1] and t∈R.)
(b) (10 pts) Please show that
∫011+xn1dx≥n+2n+1
for all n>0.
(Hint: use (a).)
解答
解法一
思路
展開
- (a) 對所有實數 t 非負的二次式,其判別式不能為正,正好導出 Cauchy—Schwarz 不等式。
- (b) 將 (a) 套在互為平方根倒數的兩個函數上,讓左邊的一個積分正是待證的積分。
答題過程
展開
(a) 對任意 t∈R,由提示可得
0≤=∫01(tf(x)+g(x))2dxAt2+2Bt+C,
其中
A=∫01f2(x)dx,B=∫01f(x)g(x)dx,C=∫01g2(x)dx.
此二次式對所有 t 非負,故其判別式不大於零:
4B2−4AC≤0.
因此
(∫01f2dx)(∫01g2dx)≥(∫01fgdx)2.
(b) 在 (a) 取
f(x)=1+xn1,g(x)=1+xn.
則 f(x)g(x)=1,並且
∫01g2(x)dx=∫01(1+xn)dx=1+n+11=n+1n+2.
由 (a),
(∫011+xn1dx)n+1n+2≥1,
故
∫011+xn1dx≥n+2n+1.