线性代数|向量内积的性质及施瓦茨不等式的证明

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线性代数|向量内积的性质及施瓦茨不等式的证明

2024-07-05 04:36| 来源: 网络整理| 查看: 265

证明 根据定义 1,有 [ x , y ] 2 = ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + ⋯ + x n y n ) 2 [ x , x ] [ y , y ] = ( x 1 2 + x 2 2 + ⋯ + x n 2 ) ( y 1 2 + y 2 2 + ⋯ + y n 2 ) \begin{align*} [\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}]^2 & = (x_1 y_1 + x_2 y_2 + \cdots + x_n y_n)^2 \\ [\boldsymbol{x},\boldsymbol{x}] [\boldsymbol{y},\boldsymbol{y}] & = (x_1^2 + x_2^2 + \cdots + x_n^2) (y_1^2 + y_2^2 + \cdots + y_n^2) \end{align*} [x,y]2[x,x][y,y]​=(x1​y1​+x2​y2​+⋯+xn​yn​)2=(x12​+x22​+⋯+xn2​)(y12​+y22​+⋯+yn2​)​ 如果 x = 0 \boldsymbol{x} = \boldsymbol{0} x=0:显然有 [ x , y ] 2 = [ x , x ] [ y , y ] = 0 [\boldsymbol{x},\boldsymbol{y}]^2 = [\boldsymbol{x},\boldsymbol{x}] [\boldsymbol{y},\boldsymbol{y}] = 0 [x,y]2=[x,x][y,y]=0,满足不等式。

如果 x ≠ 0 \boldsymbol{x} \ne \boldsymbol{0} x=0:因为根据性质 4,有 [ x , x ] = x 1 2 + x 2 2 + ⋯ + x n 2 > 0 [\boldsymbol{x},\boldsymbol{x}] = x_1^2 + x_2^2 + \cdots + x_n^2 > 0 [x,x]=x12​+x22​+⋯+xn2​>0,所以,可以构造二次函数 f ( t ) = ( x 1 2 + x 2 2 + ⋯ + x n 2 ) t 2 + 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + ⋯ x n y n ) t + ( y 1 2 + y 2 2 + ⋯ + y n 2 ) = ( x 1 2 t 2 + 2 x 1 y 1 t + y 1 2 ) + ( x 2 2 t 2 + 2 x 2 y 2 t + y 2 2 ) + ⋯ + ( x n 2 t 2 + 2 x n y n t + y n 2 ) = ( x 1 t + y 1 ) 2 + ( x 2 t + y 2 ) 2 + ⋯ + ( x n t + y n ) 2 \begin{align*} f(t) & = (x_1^2 + x_2^2 + \cdots + x_n^2) t^2 + 2 (x_1 y_1 + x_2 y_2 + \cdots x_n y_n) t + (y_1^2 + y_2^2 + \cdots + y_n^2) \\ & = (x_1^2 t^2 + 2 x_1 y_1 t + y_1^2) + (x_2^2 t^2 + 2 x_2 y_2 t + y_2^2) + \cdots + (x_n^2 t^2 + 2 x_n y_n t + y_n^2 ) \\ & = (x_1 t + y_1)^2 + (x_2 t + y_2)^2 + \cdots + (x_n t + y_n)^2 \end{align*} f(t)​=(x12​+x22​+⋯+xn2​)t2+2(x1​y1​+x2​y2​+⋯xn​yn​)t+(y12​+y22​+⋯+yn2​)=(x12​t2+2x1​y1​t+y12​)+(x22​t2+2x2​y2​t+y22​)+⋯+(xn2​t2+2xn​yn​t+yn2​)=(x1​t+y1​)2+(x2​t+y2​)2+⋯+(xn​t+yn​)2​ 因为对于任意 t ∈ R t \in R t∈R,都有 f ( t ) ≥ 0 f(t) \ge 0 f(t)≥0,所以 f ( t ) = 0 f(t) = 0 f(t)=0 无解,进而 f ( t ) f(t) f(t) 的判别式应该小于 0 0 0,于是有 Δ = [ 2 ( x 1 y 1 + x 2 y 2 + ⋯ x n y n ) ] 2 − 4 ( x 1 2 + x 2 2 + ⋯ + x n 2 ) ( y 1 2 + y 2 2 + ⋯ + y n 2 ) < 0 \Delta = [2 (x_1 y_1 + x_2 y_2 + \cdots x_n y_n)]^2 - 4 (x_1^2 + x_2^2 + \cdots + x_n^2) (y_1^2 + y_2^2 + \cdots + y_n^2) < 0 Δ=[2(x1​y1​+x2​y2​+⋯xn​yn​)]2−4(x12​+x22​+⋯+xn2​)(y12​+y22​+⋯+yn2​)



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