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发布于 2025-12-14 / 23 阅读
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积分用离散形式表达证明不等式

在证明与积分相关的不等式的时候,可以将积分用离散形式表达,进而进行进一步操作:

eg_1
证明:

\ln \int_0^1 f(x) \, dx \geq \int_0^1 \ln f(x) \, dx

不妨转化为

\int_0^1 f(x) \, dx \geq e^{\int_0^1 \ln f(x) \, dx}

我们可以注意到,左边这个积分实际上可以视为f(x)的算数平均数,而右边可以视为几何平均数,这样,我们将其拆分就理所当然了。

\begin{align*} \int_0^1f(x)\,dx &= \lim_{n\to\infty}\sum^{n}_{k=1}\frac{f(\frac{k}{n})}{n}\\ &= \lim_{n\to\infty}\frac{f(\frac{1}{n})+f(\frac{2}{n})+\cdots+f(\frac{n}{n})}{n} \end{align*}

e^{\int_0^1lnf(x)\,dx} =\lim_{n\to\infty}\exp(\sum_{k=1}^{n}\frac{lnf(\frac{k}{n})}{n}) =\lim_{n\to\infty}\sqrt[n]{f(\frac{1}{n})f(\frac{2}{n})\cdots f(\frac{n}{n})}

由几何平均数小于算数平均数得:

\sqrt[n]{f(\frac{1}{n})f(\frac{2}{n})\cdots f(\frac{n}{n})} \leq \frac{f(\frac{1}{n})+f(\frac{2}{n})+\cdots+f(\frac{n}{n})}{n}

n\to\infty

\int_0^1 f(x) \, dx \geq e^{\int_0^1 \ln f(x) \, dx}

即为:

\ln \int_0^1 f(x) \, dx \geq \int_0^1 \ln f(x) \, dx

科大-常用积分表.pdf


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