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)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) :
设f(x)是定义在整个实数轴(−∞,+∞)上的二次可微函数,记
M0=xsup∣f(x)∣,M1=xsup∣f′(x)∣,M2=xsup∣f′′(x)∣,
若M0,M2<+∞,则有
M12≤4M0M2.
事实上有更强一点的结论
M12≤2M0M2.
proof:
对∀x∈R以及y>0,由拉格朗日型泰勒展开,可得
⇒f(x+y)=f(x)+f′(x)y+2f′′(x+αy)y2⇒f(x−y)=f(x)−f′(x)y+2f′′(x−βy)y2
其中α,β∈(0,1),二式相减,得到
2yf′(x)=f(x+y)−f(x−y)+2f′′(x−βy)−f′′(x+αy)y2
⇒∣f′(x)∣≤yM0+2M2y,∀y>0
两边关于y取最小值即可(左边与y无关,右边调整y,可以使得y2=M22M0)
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(b−a)2M2≥4M0,那么上面的结论仍然成立。
思路仍旧是泰勒
对于
∀x∈[a,b]
显然
f(a)=f(x)+f′(x)(a−x)+2f′′(ξ1)(a−x)2
f(b)=f(x)+f′(x)(b−x)+2f′′(ξ2)(b−x)2
后式减前式得
f(b)−f(a)=f′(x)(b−a)+2f′′(ξ2)(b−x)2−2f′′(ξ1)(a−x)2
因此
∣f′(x)∣≤b−a∣f(a)+f(b)∣+2(b−a)∣f′′(ξ1)∣(x−a)2+∣f′′(ξ2)∣(x−b)2≤b−a2M0+2(b−a)(x−a)2+(x−b)2M2
相当自然的想到三角形中的不等式
(x−a)2+(x−b)2<(a−b)2(x∈(a,b))
这样放大之后就可以去掉右边的x
∣f′(x)∣≤b−a2M0+2b−aM2
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]上的所有∣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)∣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~
(u的存在性由M2=0保证,M2等于0的情况是显然的)
这个时候就要用到附加条件进行化简了
(b−a)2M2=4M0 时,当然恰好可以化为乘积,结论显然。
(b−a)2M2>4M0 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] 使得u∈[c,d]且 (d−c)2M2=4M0
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

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。

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。