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柯西不等式

柯西不等式通常指柯西—施瓦茨不等式(Cauchy–Schwarz inequality),也称柯西—布尼亚科夫斯基不等式。它把两组数“对应相乘再相加”的结果,与这两组数各自的平方和联系起来。在向量语言中,它说:内积的绝对值不超过两个向量长度的乘积。

先取两个平面向量 a=(3,1)、b=(1,2)。对应坐标相乘相加,得到 a⋅b=3×1+1×2=5;两向量的长度分别为 10 和 5。柯西不等式在这里给出

|5|≤105=50,或等价地25≤50.

数字比较容易验证。更值得追问的是:为什么无论坐标如何取值都成立,什么时候两边恰好相等,以及这份上界怎样用来解题?

先说清楚两个量怎样计算

给定两组实数 a1,…,an 和 b1,…,bn,其中 n 为正整数,组成实向量 a,b∈ℝn。它们的欧氏内积和长度分别是

a⋅b=∑i=1naibi,‖a‖=∑i=1nai2.

内积可能为正、为负或为零;长度始终非负。柯西不等式的两个常见形式为

|∑i=1naibi|≤∑i=1nai2∑i=1nbi2,

(∑i=1naibi)2≤(∑i=1nai2)(∑i=1nbi2).

因为绝对值与两个长度都非负,平方或开平方不会改变不等式的真假。坐标没有正数要求,负坐标同样适用。若把 b 换成 −b,内积从 5 变成 −5,长度不变,绝对值正好保留了同一份上界。

等号成立当且仅当两向量线性相关。明确说,存在不同时为零的实数 α,β,使 αa+βb=0。当 b≠0 时,这等价于存在实数 t 使 a=tb;若 b=0,无论 a 为何都取等号。这样说也包含零向量,不必为零向量硬定义夹角。MIT:Cauchy–Schwarz 等号条件

把一个向量分成沿线与垂线两部分

回到 a=(3,1)、b=(1,2)。沿着 b 方向的点都形如 tb=(t,2t)。我们想找其中离 a 最近的一个,使从这个点指向 a 的差向量与 b 垂直。

这个垂直要求可用内积为零来表达:

(a−tb)⋅b=0.

展开后是 a⋅b−t‖b‖2=0,所以

t=a⋅b‖b‖2=55=1.

因此投影点为 h=tb=(1,2),余下的向量为 r=a−h=(2,−1)。核对 r⋅b=2×1+(−1)×2=0,确实垂直。

向量a从原点指向三一,b与投影h从原点指向一二,h至a的残差为二负一并与b垂直,直角三角形的长度平方为十等于五加五。
虚线是从 a 的端点向 b 所在直线作出的垂线。沿线部分与垂直部分合起来仍是同一个向量 a。

图中直角三角形满足勾股定理:‖a‖2=‖h‖2+‖r‖2=5+5=10。因此投影长度不会超过原向量长度。一般地,当 b≠0 时,沿线部分的长度为

‖a⋅b‖b‖2b‖=|a⋅b|‖b‖.

它不超过 ‖a‖,乘回正数 ‖b‖ 就得到柯西不等式。若想取等号,垂直部分必须消失,整个 a 都落在 b 所在直线上。这同时解释了等号为什么对应线性相关。

不靠图形的证明:平方距离最小能有多小

上述投影思路可以写成任意维数都有效的代数证明。若 b=0,不等式两边都是零,已经证明。以下设 b≠0,于是 ‖b‖2>0。

对于任意实数 t,平方和都非负:

‖a−tb‖2=∑i=1n(ai−tbi)2=‖a‖2−2t(a⋅b)+t2‖b‖2≥0.

把关于 t 的二次式配方:

‖a−tb‖2=‖b‖2(t−a⋅b‖b‖2)2+‖a‖2−(a⋅b)2‖b‖2.

当 t=(a⋅b)/‖b‖2 时,第一项为零;左边仍不能为负,所以

0≤‖a‖2−(a⋅b)2‖b‖2.

乘以正的 ‖b‖2,便得到 (a⋅b)2≤‖a‖2‖b‖2。整个证明只用了平方和非负与配方,没有先假设夹角公式成立。

本例的平方距离是 10−10t+5t2=5(t−1)2+5。下图的最低点在 t=1,最小平方距离为 5,与上一图的残差长度平方完全一致。t=0 对应原点,平方距离为 10;t=2 对应 2b=(2,4),平方距离也为 10。

平方距离函数五乘t减一的平方加五是一条开口向上的抛物线,最低点一五,t等于零和二时函数值均为十。
沿 b 所在直线移动,最近点由最低的平方距离确定;非负性给出了内积上界。

等号条件也可以从证明直接读出。取上述最优 t 后,等号成立当且仅当 ‖a−tb‖2=0。平方和为零意味着每一项都为零,即每个坐标满足 ai=tbi。反过来,若 a=tb,代入立即得到等号,t 可以为正、负或零。

平方和恒等式给出的另一种解释

在二维中,把两边的差展开,会得到一个完整的平方:

(a12+a22)(b12+b22)−(a1b1+a2b2)2=a12b22+a22b12−2a1a2b1b2=(a1b2−a2b1)2≥0.

本例右边为 (3×2−1×1)2=25,左边为 10×5−52=25,两种计算一致。量 a1b2−a2b1 也是二维矩阵行列式;它的绝对值是两个向量张成的平行四边形面积。若两向量落在同一直线上,面积为零,正好取等号。

在更高维,把展开式中对角项 ai2bi2 抵消,再将下标 (i,j) 与 (j,i) 成对整理,就得到

(∑iai2)(∑ibi2)−(∑iaibi)2=∑i<j(aibj−ajbi)2.

右边每一对贡献 ai2bj2+aj2bi2−2aiajbibj,恰好补齐左边所有未抵消的项。这是拉格朗日恒等式,也直接证明了不等式。它说明两边的差由各对坐标偏离比例关系的程度组成。

用等号条件求一个真正能达到的上界

若实数 x,y 满足 x2+y2=1,求 3x+y 的最大值。把目标看成 (3,1) 与 (x,y) 的内积,就有

|3x+y|≤32+12x2+y2=10.

因此 3x+y≤10。但一个上界不一定真的能够取到,还必须检查等号。要让内积达到正的最大值,应取与 (3,1) 同向的单位向量:

(x,y)=(310,110).

此时 x2+y2=1,并且 3x+y=10/10=10,所以上界确实是最大值。反向单位向量给出最小值 −10。

单位圆上沿三一方向的点为三除以根号十、一除以根号十,直线三x加y等于根号十在该点与圆相切,反向点给出负根号十。
目标函数相同的点排成直线;向外平移至刚好碰到圆的位置,得到可达到的最大值。

另一个常见应用是估计平方和。对实数 x1,…,xn,把另一组数取成全一,得到

(x1+⋯+xn)2≤n(x12+⋯+xn2).

若三数之和固定为 6,则平方和至少为 62/3=12。等号要求 (x1,x2,x3) 与 (1,1,1) 成比例,结合总和条件只能是 (2,2,2)。例如 (1,2,3) 的平方和为 14,大于这个下界。这也解释了为什么在总和固定时,数值越均匀,平方和可以越小。

分式形式与正权重

对于实数 xi 和严格正数 ui,可以选择

ai=xiui,bi=ui.

把它们代入柯西不等式,内积变为 ∑ixi,两个平方和分别变为 ∑ixi2/ui 与 ∑iui。因为后一个和为正,可以除过去,得到

∑i=1nxi2ui≥(∑ixi)2∑iui.

等号要求 xi/ui=tui,即所有 xi/ui 相同。正权重是这一步代入和除法的条件。允许负权重后,即使权重之和仍为正,结论也可能失败:取 x1=1,x2=0、u1=−1,u2=2,左边为 −1,右边为 1,原来的“左边大于等于右边”便不成立。

向量夹角、函数和随机变量中的同一结构

对于非零实向量,柯西不等式保证

−1≤a⋅b‖a‖‖b‖≤1.

因此可以用这个比值定义夹角的余弦。平面与三维空间里,它与通常的几何夹角一致;更高维也能沿用。零向量虽然满足不等式,却不能代入这个夹角公式,因为分母为零。反向向量同样使绝对值形式取等号;如果讨论没有绝对值的上界 a⋅b≤‖a‖‖b‖,非零反向向量取得的是下界而非上界。

在一般内积向量空间中,公式写成 |⟨a,b⟩|≤‖a‖‖b‖。复向量的内积要对其中一组坐标取共轭,长度平方使用 ∑|ai|2,不能把实数公式中的平方不加改变地照抄。例如 (1,i) 的长度平方是 2,而 12+i2=0 并不是它的长度平方。

把有限求和换成积分,在实函数 f,g 平方可积的条件下,可得到

|∫fg|2≤(∫f2)(∫g2).

各积分在同一测度空间上进行。其证明仍然来自 ∫(f−tg)2≥0;等号对应函数作为平方可积空间中的元素线性相关。若其中一个函数几乎处处为零,自动取等号;否则等号要求两函数几乎处处成固定比例,“几乎处处”表示允许在测度为零的集合上例外。类似地,对于二阶矩有限的随机变量 X,Y,有 |E(XY)|2≤E(X2)E(Y2);将两者减去均值后,就能得到协方差绝对值不超过两个标准差乘积的结论。这些推广都保留了“平方所定义的长度限制内积”这一结构。

历史与参考资料

柯西在 1821 年的 Cours d’Analyse 中发表了有限和形式的不等式。布尼亚科夫斯基在 1859 年发表其积分对应式;施瓦茨后来在极小曲面的研究中需要并发展了积分形式。这段从有限坐标到函数的历史,也反映在今天并存的“柯西—施瓦茨”“柯西—布尼亚科夫斯基”等名称中。J. Michael Steele:Starting with Cauchy,历史说明