写于2025-04-21,依旧搬运笔记

前言:

(个人向总结)

这是一类要求证明关于f(x),f(x),f(x)f(x),f'(x),f''(x)的关系等式,或是对其中某个进行多项和的估计,题目 的背景
思路就是把一个二阶可微函数在x处talyor展开,从而得到的等式。有时候需要估值,就进行一些放缩,其中兰道不等式就是一个还算好用的不等式。

我们介绍这个不等式,相关的题目也会附在这篇文章的后面。

参考文献:关于兰道不等式的二三事 - 知乎 (更正了一些小错误)

兰道不等式 (Landau’s inequality) :

f(x)f(x)是定义在整个实数轴(,+)(-\infty,+\infty)上的二次可微函数,记

M0=supxf(x),M1=supxf(x),M2=supxf(x),M_0=\sup_x|f(x)|,\quad M_1=\sup_x|f^{\prime}(x)|,\quad M_2=\sup_x|f^{\prime\prime}(x)|,

M0,M2<+M_0,M_2<+\infty,则有

M124M0M2.M_1^2\leq4M_0M_2.

事实上有更强一点的结论

M122M0M2.M_1^2\leq2M_0M_2.

proof:
xR\forall x\in R以及y>0y>0,由拉格朗日型泰勒展开,可得

f(x+y)=f(x)+f(x)y+f(x+αy)2y2f(xy)=f(x)f(x)y+f(xβy)2y2\begin{aligned} \Rightarrow f(x+y)=f(x)+f^{\prime}(x)y+\frac{f^{\prime\prime}(x+\alpha y)}2y^2\\\Rightarrow f(x-y)=f(x)-f^{\prime}(x)y+\frac{f^{\prime\prime}(x-\beta y)}2y^2 \end{aligned}

其中α,β(0,1)\alpha,\beta\in(0,1),二式相减,得到

2yf(x)=f(x+y)f(xy)+f(xβy)f(x+αy)2y22yf^{\prime}(x)=f(x+y)-f(x-y)+\frac{f^{\prime\prime}(x-\beta y)-f^{\prime\prime}(x+\alpha y)}2y^2

f(x)M0y+M2y2,y>0\Rightarrow|f^{\prime}(x)|\leq\frac{M_0}y+\frac{M_2y}2,\forall y>0

两边关于yy取最小值即可(左边与y无关,右边调整y,可以使得y2=2M0M2y^2=\frac{2M_{0}}{M_{2}}

很简单的证明 同时可以看到这个证明是比较松的,那么我们就在想是否可以得到限制更强之下的估计,更限制的估计同样也要求多一些条件

限制情况的讨论

如果我们限定x在区间[a,b],再加之以条件(ba)2M24M0(b-a)^2M_{2}\geq4M_{0},那么上面的结论仍然成立。

思路仍旧是泰勒
对于

x[a,b]\forall x\in[a,b]

显然

f(a)=f(x)+f(x)(ax)+f(ξ1)2(ax)2f(a)=f(x)+f^{\prime}(x)(a-x)+\frac{f^{\prime\prime}(\xi_1)}2(a-x)^2

f(b)=f(x)+f(x)(bx)+f(ξ2)2(bx)2f(b)=f(x)+f^{\prime}(x)(b-x)+\frac{f^{\prime\prime}(\xi_2)}2(b-x)^2

后式减前式得

f(b)f(a)=f(x)(ba)+f(ξ2)2(bx)2f(ξ1)2(ax)2f(b)-f(a)=f^{\prime}(x)(b-a)+\frac{f^{\prime\prime}(\xi_2)}2(b-x)^2-\frac{f''(\xi_1)}2(a-x)^2

因此

f(x)f(a)+f(b)ba+f(ξ1)(xa)2+f(ξ2)(xb)22(ba)2baM0+(xa)2+(xb)22(ba)M2\begin{aligned}&|f'(x)|\leq\frac{|f(a)+f(b)|}{b-a}+\frac{|f''(\xi_1)|(x-a)^2+|f''(\xi_2)|(x-b)^2}{2(b-a)}\leq\frac{2}{b-a}M_0\\&+\frac{(x-a)^2+(x-b)^2}{2(b-a)}M_2\end{aligned}

相当自然的想到三角形中的不等式

(xa)2+(xb)2<(ab)2      (x(a,b))(x-a)^2+(x-b)^2<(a-b)^2\;\;\;(x\in(a,b))

这样放大之后就可以去掉右边的x

f(x)2baM0+ba2M2|f'(x)|\leq \frac{2}{b-a}M_{0}+ \frac{b-a}{2}M_{2}

不过我们仍然没有办法说明右边可以取到乘积形式的最小值,但是注意到我们其实不需要对[a,b][a,b]上的所有f(x)|f'(x)|都有乘积式的不等式成立,其实只需要讨论最大的那个点u,f(x)max=f(u)|f'(x)|_{max}=|f'(u)|是不是满足乘积式不等式。
这是一个非常重要的技巧,往往看起来像是神来之笔。原理就是从证明某个对整个对象(区间)成立的性质,通过找到这个性质成立起来最极端/最困难的点,来转化为只需证明某个特殊点成立该性质即可。这样我们就可以使用一些具体点才能用的技巧和操作
例如,在这样的一个闭区间上,我们要求证一个序关系的成立,那么可以现在这个值域上选择出其序关系的极端值,再用例如极端值存在于某个区间的性质~

uu的存在性由M20M_{2} \not = 0保证,M2M_{2}等于00的情况是显然的)
这个时候就要用到附加条件进行化简了

(ba)2M2=4M0(b-a)^2M_{2}=4M_{0} 时,当然恰好可以化为乘积,结论显然。
(ba)2M2>4M0(b-a)^2M_{2}>4M_{0} 时,我们其实只需找到一个子闭区间,u在其中且满足方程。 就是说必然存在[c,d][a,b][c,d]\subset [a,b] 使得u[c,d]u \in [c,d](dc)2M2=4M0(d-c)^2M_{2}=4M_{0}

ok.

应用

这里的应用主要是指运用我们证明过程的诸多细节与思路,命题并不相同,但思路和运用的技术几乎完全相同。
1.cmc 16届初赛 非数A
pVS7AEj.png

虽然不同于landau不等式本身对最大值的讨论,但是形式相似,使用的基本技巧和想法也相似。
这里我们没用泰勒展开,因为函数不是二阶可微的,而目标式需要f’(x)这个结构。
代替的,我们凑出一个f’(x)h,以及一个差分的积分(差分利用了条件)

难点大概是不太好想的变形

2.PKU 2024秋高数
使用的技术完全一样。。。甚至更难一些。 只有细节和一些方向的思路不同。
pVS7EUs.png

这里的神来之笔是选取了c这个极端点,再根据分类讨论,大大提高了不等式的精度。