题目

  1. Jensen 不等式(离散版):设 为凸函数(ANL-DEF-019)。证明:对任意 与权重 满足 ,

  2. AM-GM 不等式:用 Jensen 推出对任意 ,

  3. 幂平均不等式:对 与 ,证明

提示

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  • 第 1 题:对 归纳。 是凸函数定义本身。从 到 :把首 个权重归一化后用归纳假设,再用 凸性合并。
  • 第 2 题:取 (在 上凸),。Jensen 给出 ,即 。两边取指数。
  • 第 3 题: 在 上凸( 时 ),直接 凸性。

解答

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第 1 题:Jensen 不等式归纳证明

证明(对 归纳):

:恰为 凸函数定义(ANL-DEF-019):。

:设结论对 成立。给定 与 ,。

不妨设 ( 时其余 ,结论平凡)。设 。

关键改写:

注意 ()非负且和为 ,故 ( 区间,凸集)。

应用 凸性(权重 ):

应用 归纳假设于 (权重 非负且和为 ):

代入:

第 2 题:AM-GM 不等式

证明:取 于 。由 (ANL-DEF-019 二阶导判定), 在 上严格凸。

对 取等权重 ,由第 1 题 Jensen:

两边取负后再取指数( 单调):

等号成立 严格凸条件下所有 相等。

第 3 题:幂平均不等式()

证明:取 于 。

: ⇒ 严格凸(ANL-DEF-019)。

: 是线性函数,既凸又凹(不等式取等号)。

由 凸,对 与权重 的 Jensen:

即

几何含义:算术平均 经过凸映射 后变小(); 而映射后再算术平均反而变大。这就是 Jensen 的视觉:“凸映射会把弦压低”。 当 (且 )时 凹,不等号反转。

考察点

  • ANL-DEF-019 凸函数的定义与归纳推广
  • 凸函数的二阶导判定 的应用
  • 经典不等式(AM-GM、幂平均)的统一推导框架
  • 选择合适凸函数 (取 等)“翻译”目标不等式

备注

Jensen 不等式的”统一武器”性质:

选择 Jensen 给出
(凸)AM-GM:
( 凸)幂平均不等式
(凸)
+ 概率分布信息论基本不等式
(凸 on )熵的次可加性

进一步推广:

  • 连续版 Jensen: 凸, 随机变量 ⇒ (概率论标配)
  • 加权版:权重不需等分,仅需非负 + 和为
  • 多元版: 凸时类似