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Cauchy-Schwarz 不等式

孔乙己曾谈及“茴字有四种写法”,与之相仿,柯西–施瓦茨积分不等式(Cauchy-Schwarz inequality)也存在四种经典证法:定积分性质法、判别式法、变上限积分法与二重积分法。下面就分享在考试与数学竞赛中常用的后三种证法。

定理

首先给出柯西 - 施瓦茨积分不等式:

Cauchy-Schwarz inequality

\[ \left( \int^{b}_{a} f\left( x\right) g\left( x\right) \mathrm{d} x\right)^{2} \leqslant \int^{b}_{a} f^{2}\left( x\right) \mathrm{d} x\int^{b}_{a} g^{2}\left( x\right) \mathrm{d} x \]

其中 \(f\left( x\right)\), \(g\left( x\right)\) 均为区间 \(\left[a,b\right]\) 上的连续函数。

方法 1:重积分法

记区域 \(D: a\leqslant x\leqslant b,\ a\leqslant y\leqslant b\),则

\[ \begin{aligned} \left( \int_a^b f(x)g(x)\,\mathrm{d}x \right)^2 &= \int_a^b f(x)g(x)\,\mathrm{d}x \cdot \int_a^b f(y)g(y)\,\mathrm{d}y \\ &= \iint\limits_D f(x)g(x)f(y)g(y)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &= \iint\limits_D \big[f(x)g(y)\big]\big[f(y)g(x)\big]\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y. \end{aligned} \]

由基本不等式 \(ab \leqslant \dfrac{a^2+b^2}{2}\),得

\[ \big[f(x)g(y)\big]\big[f(y)g(x)\big] \leqslant \frac12\Big[f^2(x)g^2(y)+f^2(y)g^2(x)\Big]. \]

代入上式并积分:

\[ \begin{aligned} \left( \int_a^b f(x)g(x)\,\mathrm{d}x \right)^2 &\leqslant \iint\limits_D \frac12\Big[f^2(x)g^2(y)+f^2(y)g^2(x)\Big]\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &= \frac12\iint\limits_D f^2(x)g^2(y)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y + \frac12\iint\limits_D f^2(y)g^2(x)\,\mathrm{d}x\mathrm{d}y \\ &= \frac12\left( \int_a^b f^2\,\mathrm{d}x \int_a^b g^2\,\mathrm{d}y \right) + \frac12\left( \int_a^b f^2\,\mathrm{d}y \int_a^b g^2\,\mathrm{d}x \right) \\ &= \left( \int_a^b f^2(x)\,\mathrm{d}x \right) \left( \int_a^b g^2(x)\,\mathrm{d}x \right). \end{aligned} \]

不等式得证。

下面分析何时取等:

不等式取等号,当且仅当证明中每一步不等式都取等号。 唯一的不等式来自均值不等式,下面分两种情况讨论:

  • 情况 1:存在某个 \(y_0\) 使 \(g(y_0)\neq0\) ,此时对任意 \(x\in[a,b]\) ,有
\[ f(x)g(y_0)=f(y_0)g(x) \implies f(x)=\frac{f(y_0)}{g(y_0)}g(x). \]

令常数 \(k=\dfrac{f(y_0)}{g(y_0)}\) ,则 \(f(x)=k\,g(x),\quad\forall x\in[a,b].\)

  • 情况 2:对所有 \(y\in[a,b]\) ,都有 \(g(y)=0\) ,此时 \(g(x)\equiv0\) ,不等式两边均为 \(0\) ,等号成立。

综上:Cauchy-Schwarz 不等式等号成立 \(\iff\) 存在常数 \(k\), 使得 \(f(x)=k\,g(x)\) 在 \([a,b]\) 上几乎处处成立 .

方法 2:判别式法

类比高中柯西不等式的常见证明方式,我们可以构造一个非负二次函数,利用其判别式 \(\leqslant 0\) 推导出不等式 .

构造关于参数 \(t\) 的非负积分: \(F(t)=\displaystyle\int_{a}^{b}\big(tf(x)-g(x)\big)^2\mathrm{d}x\)

显然对任意实数 \(t\),有 \(\big(tf(x)-g(x)\big)^2\geqslant 0\) ,因此 \(F(t)\geqslant 0,\quad\forall\,t\in\mathbb R.\)

将积分展开:

\[ \begin{aligned} F(t) &=\int_{a}^{b}\Big[t^2f^2(x)-2tf(x)g(x)+g^2(x)\Big]\mathrm{d}x \\ &=\left(\int_{a}^{b}f^2(x)\mathrm{d}x\right)t^2 -2\left(\int_{a}^{b}f(x)g(x)\mathrm{d}x\right)t +\int_{a}^{b}g^2(x)\mathrm{d}x. \end{aligned} \]

记

\[ A=\int_{a}^{b}f^2(x)\mathrm{d}x,\quad B=\int_{a}^{b}f(x)g(x)\mathrm{d}x,\quad C=\int_{a}^{b}g^2(x)\mathrm{d}x, \]

则

\[ F(t)=At^2-2Bt+C \geqslant 0,\quad \forall t\in\mathbb R. \]
  • 情况 1:若 \(A=0\),则 \(f(x)\equiv 0\),原不等式显然取等成立。

  • 情况 2:若 \(A>0\),则 \(F(t)\) 是开口向上的恒非负二次函数,故判别式满足 \(\Delta \leqslant 0\). 计算判别式并化简得:

\[ \left(\int_{a}^{b} f(x)g(x)\mathrm{d}x\right)^2 \leqslant \left(\int_{a}^{b} f^2(x)\mathrm{d}x\right) \left(\int_{a}^{b} g^2(x)\mathrm{d}x\right). \]

不等式取等 \(\iff \Delta=0\iff\) 二次方程 \(F(t)=0\) 存在唯一实根 \(t_0\)

\[ \int_{a}^{b}\big(t_0 f(x)-g(x)\big)^2\mathrm{d}x=0 \]

由非负可积函数积分零的性质得

\[ t_0 f(x)-g(x)\equiv 0,\quad x\in[a,b] \]

即存在常数 \(t_0\),使得 \(g(x)=t_0 f(x)\) 或 \(f(x)\equiv 0,\ g(x)\equiv 0.\)

方法 3:变限积分法

构造辅助函数:

\[ F(t)=\int_{a}^{t} f^2(x)\mathrm{d}x\cdot \int_{a}^{t} g^2(x)\mathrm{d}x -\left(\int_{a}^{t} f(x)g(x)\mathrm{d}x\right)^2,\quad t\geqslant a \]

显然初值:\(F(a)=0\)

对 \(t\) 求导:

\[ \begin{aligned} F'(t) &= g^2(t)\int_{a}^{t} f^2(x)\mathrm{d}x + f^2(t)\int_{a}^{t} g^2(x)\mathrm{d}x - 2f(t)g(t)\int_{a}^{t} f(x)g(x)\mathrm{d}x \\ &= \int_{a}^{t} \big[f(x)g(t)\big]^2 \mathrm{d}x - \int_{a}^{t} 2f(x)g(t)f(t)g(x)\mathrm{d}x + \int_{a}^{t} \big[f(t)g(x)\big]^2 \mathrm{d}x \\ &= \int_{a}^{t} \Big[f^2(x)g^2(t)-2f(x)g(t)f(t)g(x)+f^2(t)g^2(x)\Big]\mathrm{d}x \\ &= \int_{a}^{t} \big[f(x)g(t)-f(t)g(x)\big]^2 \mathrm{d}x \geqslant 0 \end{aligned} \]

因此 \(F(t)\) 在 \([a,b]\) 上单调递增,故:\(F(b)\geqslant F(a)=0\) 代入得:

\[ \int_{a}^{b} f^2(x)\mathrm{d}x\int_{a}^{b} g^2(x)\mathrm{d}x -\left(\int_{a}^{b} f(x)g(x)\mathrm{d}x\right)^2 \geqslant 0 \]

得证,下面分析取等条件:

不等式取等 \(\iff F(b)=0 \iff F(t)\equiv 0,\forall t\in[a,b] \iff F'(t)\equiv 0\)

\[ \int_{a}^{t} \big[f(x)g(t)-f(t)g(x)\big]^2 \mathrm{d}x \equiv 0 \]

由非负连续函数积分为 0 则函数恒为 0: \(f(x)g(t)-f(t)g(x)=0,\quad \forall x,t\in[a,b]\)

整理得:存在常数 \(k\),使得 \(f(x)\equiv k\,g(x)\) 或 \(g(x)\equiv 0.\)

应用

例 1

Example

设 \(f(x):[0,1]\to\mathbb R\),满足 \(\displaystyle\int_0^1 xf(x)\mathrm{d}x=0\),求证:

\[ \displaystyle \int_0^1 f^2(x)\mathrm{d}x \geqslant 4\left(\int_0^1 f(x)\mathrm{d}x\right)^2. \]

由 Cauchy-Schwarz 不等式,结合条件 \(\displaystyle\int_0^1 xf(x)\mathrm{d}x=0\),有

\[ \begin{aligned} \left(\int_0^1 f(x)\mathrm{d}x\right)^2 &=\left(\int_0^1 \left(1-\frac32 x\right)f(x)\mathrm{d}x\right)^2 \\ &\leqslant \int_0^1 \left(1-\frac32 x\right)^2\mathrm{d}x \cdot \int_0^1 f^2(x)\mathrm{d}x \\ &=\frac14 \int_0^1 f^2(x)\mathrm{d}x, \end{aligned} \]

整理即得 \(\displaystyle \int_0^1 f^2(x)\mathrm{d}x \geqslant 4\left(\int_0^1 f(x)\mathrm{d}x\right)^2.\) 证毕。

例 2

Example

若 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上连续且 \(\displaystyle \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x = 1\),试分别说明定积分 \(I = \displaystyle\int_0^1 (x+1)f^2(x)\,\mathrm{d}x\) 是否存在最小值与最大值?如存在,请求出 \(f(x)\) 及 \(I\) 的值;如不存在,请说明理由。

本题是江苏省 2026 年第二十三届高数竞赛的第七道大题

  • 最小值分析(Cauchy-Schwarz inequality)

对函数 \(\sqrt{x+1}f(x) \text{和} \dfrac{1}{\sqrt{x+1}}\) 应用柯西 - 施瓦茨不等式:

\[ \left( \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x \right)^2 = \left( \int_0^1 \sqrt{x+1}f(x)\cdot\frac{1}{\sqrt{x+1}}\,\mathrm{d}x \right)^2 \leqslant \left( \int_0^1 (x+1)f^2(x)\,\mathrm{d}x \right)\left( \int_0^1 \frac{1}{x+1}\,\mathrm{d}x \right) \]

由题设 \(\displaystyle \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x=1\),且 \(\displaystyle\int_0^1 \frac{1}{x+1}\,\mathrm{d}x = \ln(x+1)\bigg|_0^1 = \ln 2\)
代入不等式得: \(1^2 \leqslant I \cdot \ln 2\) 因此 \(I \geqslant \dfrac{1}{\ln 2}\)
等号成立当且仅当 \(\sqrt{x+1}f(x)\) 与 \(\dfrac{1}{\sqrt{x+1}}\) 成比例,即存在常数 \(k\),使得

\[ \sqrt{x+1}f(x) = k \cdot \frac{1}{\sqrt{x+1}} \implies f(x) = \frac{k}{x+1} \]

结合约束条件 \(\displaystyle \int_0^1 f(x)\,\mathrm{d}x=1\):

\[ \int_0^1 \frac{k}{x+1}\,\mathrm{d}x = k\ln 2 = 1 \implies k=\frac{1}{\ln 2} \]

故取到最小值时:

\[ f(x) = \frac{1}{\ln 2}\cdot\frac{1}{x+1}, \quad I_{\min} = \frac{1}{\ln 2} 2 \]
  • 最大值分析(构造无界序列)

取函数序列 \(f_n(x)=(n+1)x^n\),显然 \(f_n(x)\) 在 \([0,1]\) 上连续,且满足

\[ \int_0^1 f_n(x)\,\mathrm{d}x = (n+1)\int_0^1 x^n\,\mathrm{d}x = (n+1)\cdot\frac{1}{n+1}=1 \]

计算对应的 \(I_n\):

\[ I_n = \int_0^1 (x+1)f_n^2(x)\,\mathrm{d}x = (n+1)^2\int_0^1 (x+1)x^{2n}\,\mathrm{d}x \]

展开积分:

\[ \int_0^1 (x+1)x^{2n}\,\mathrm{d}x = \int_0^1 x^{2n+1}\,\mathrm{d}x + \int_0^1 x^{2n}\,\mathrm{d}x = \frac{1}{2n+2} + \frac{1}{2n+1} \]

因此 \(I_n = (n+1)^2\left(\dfrac{1}{2n+2}+\dfrac{1}{2n+1}\right)\)

当 \(n\to\infty\) 时, \(I_n \sim (n+1)^2\left(\dfrac{1}{2(n+1)}+\dfrac{1}{2n}\right) \sim \dfrac{n}{2}+\dfrac{n}{2} \to +\infty\)

这说明 \(I\) 可以任意大,故最大值不存在。

  • 最小值存在,为 \(\displaystyle \frac{1}{\ln 2}\),取到最小值时的函数为 \(\displaystyle f(x)=\frac{1}{(x+1)\ln 2}\);
  • 最大值不存在。

习题

直接应用

Q1

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上可积,证明:

\[ \left( \int_{0}^{1} xf(x) \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{1}{3}\int_{0}^{1}f^{2}(x) \mathrm{~d} x \]

Q2

Question

已知 \(f(x)\geqslant 0\),且在 \([a,b]\) 上连续,又 \(\displaystyle \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{~d} x=1\),\(k\) 为任意实数,证明:

\[ \left( \int_{a}^{b} f(x)\cos kx \mathrm{~d} x \right)^{2}+\left( \int_{a}^{b} f(x)\sin kx \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant 1 \]

Q3

Question

设函数 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上连续,证明:

\[ \left( \int_{0}^{1} \frac{f(x)}{1+x^{2}} \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{\pi}{4}\int_{0}^{1} \frac{f^{2}(x)}{1+x^{2}} \mathrm{~d} x \]

Q4

Question

若 \(a>0\),证明:

\[ \int_{0}^{\pi} xa^{\sin x} \mathrm{~d} x \cdot \int_{0}^{\frac{\pi}{2}} a^{-\cos x} \mathrm{~d} x \geqslant \frac{\pi^{3}}{4} \]

Q5(康托洛维奇不等式)

Question

设 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续,且当 \(x\in[a,b]\) 时,有 \(0<m\leqslant f(x)\leqslant M\),证明:

\[ (b-a)^{2}\leqslant \int_{0}^{1} f(x) \mathrm{~d} x \cdot \int_{0}^{1} \frac{1}{f(x)} \mathrm{~d} x \leqslant (b-a)^{2}\frac{(m+M)^{2}}{4mM} \]

Q6

Question

证明不等式:

\[ \int_{0}^{1} \mathrm{e}^{ x^{2} }\mathrm{~d} x \cdot \int_{0}^{1} \mathrm{e}^{ -x^{2} } \mathrm{~d} x \leqslant \frac{(\mathrm{e} +1)^{2}}{4\mathrm{e}} \]

结合牛莱公式

Q7

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上有连续导数,且 \(f(0)=0\),证明:

\[ \int_{0}^{1} f^{2}(x) \mathrm{~d} x \leqslant \frac{1}{2}\int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]

Q8

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上有连续导数,且 \(f(0)=f(1)=0\),证明:

\[ \int_{0}^{1} f^{2}(x) \mathrm{~d} x \leqslant \frac{1}{4}\int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]

Q9

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上有连续导数,且 \(f(0)=f(1)=0\),证明:

\[ \int_{0}^{1} f^{2}(x) \mathrm{~d} x \leqslant \frac{1}{8}\int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]

Q10

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上有连续导数,且 \(f(0)=0\),证明:

\[ |f(x)|\leqslant \sqrt{ \int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x } \]

Q11

Question

设 \(f'(x)\) 在 \([0,1]\) 上连续,且 \(f(1)-f(0)=1\),证明:

\[ \int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \geqslant 1 \]

Q12

Question

设函数 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 连续可导且单调增加,\(f(0)=0\),证明:

\[ \left( \int_{0}^{1} f(x) \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{4}{9}\int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]

Q13

Question

设函数 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上连续可导,且 \(f(b)=0\),证明:

\[ \left( \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{(b-a)^{3}}{3}\int_{a}^{b} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]
Answer

见 你真的懂分部积分吗

Q14

Question

设函数 \(f(x)\) 在区间 \([a,b]\) 上连续可导,且 \(f(a)=f(b)=0\),证明:

\[ \left( \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{(b-a)^{3}}{12}\int_{a}^{b} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]
Answer

见 你真的懂分部积分吗

Q15

Question

设函数 \(f(x)\) 在 \([a,b]\) 上二阶连续可导,且 \(f(a)=f(b)=0\),证明:

\[ \left( \int_{a}^{b} f(x) \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{(b-a)^{5}}{120}\int_{a}^{b} [f''(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]
Answer

见 你真的懂分部积分吗

构造辅助函数

Q16

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上具有连续的导函数,且 \(f(0)=f(1)=-\dfrac{1}{6}\),证明:

\[ \int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \geqslant 2\int_{0}^{1} f(x) \mathrm{~d} x +\frac{1}{4} \]

Q17

Question

设函数 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上连续,且 \(\displaystyle \int_{0}^{1} f(x) \mathrm{~d} x=1\),\(\displaystyle \int_{0}^{1} xf(x) \mathrm{~d} x=\frac{27}{2}\),证明:

\[ \int_{0}^{1} f^{2}(x) \mathrm{~d} x > 2027 \]

Q18

Question

设函数 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上连续,且 \(f(0)=f(1)=0\),证明:

\[ \left( \int_{0}^{1} xf(x) \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{1}{45}\int_{0}^{1} [f'(x)]^{2} \mathrm{~d} x \]

并给出取等时的 \(f(x)\).

Q19

Question

设函数 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上连续,且 \(\displaystyle \int_{0}^{1} f(x) \mathrm{~d} x=1\),证明:

\[ \left( \int_{0}^{1} xf(x) \mathrm{~d} x \right)^{2}\leqslant \frac{1}{12}\int_{0}^{1} f^{2}(x) \mathrm{~d} x \]

Q20

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上有二阶连续导数,且 \(f(0)=f(1)=f'(0)=0\),\(f'(1)=1\),证明:

\[ \int_{0}^{1} [f''(x)]^{2} \mathrm{~d} x \geqslant 4 \]

并给出取等时的 \(f(x)\).

Q21

Question

设 \(f(x)\) 在 \([0,1]\) 上有二阶连续导数,且 \(f'(0)=\mathrm{e}f(1)\),证明:若 \(\displaystyle \int_{0}^{1} [f''(x)]^{2} \mathrm{~d} x\leqslant 1\),则:

\[ \left| \int_{0}^{1} \mathrm{e}^{ x }(x+1)f(x) \mathrm{~d} x \right| <1 \]
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