齐次可微函数的对角递减性与一类不等式的证明
2021-01-26王挽澜秦小林
姚 勇,王挽澜,秦小林
(1.中国科学院成都计算机应用研究所,四川 成都 610041;2.成都大学信息科学与技术学院,四川 成都 610106)
首先来看一个不等式的例子
例1:设n是正整数,证明对任意两两不等的非负实数a,b,c都有

证明:考虑函数

引进参数t,从对称性、两两不等且和非负,可设a>b>c≥t≥0.考虑t的函数

我们要证明g(t)是一个单调减函数.对g(t)求导数(注意到g(t)的分母中不含有t,容易求导数),获得

对g′(t)再求一次导数(这里求导依然是简单的),得到

因为a>b>c≥t≥0,我们有g″(t)≥0.因此,g′(t)是单调增函数。记显然A>0.于是得到

从g′(t)≤0推出g(t)是一个单调减函数.因此,我们有

最后只需证明f(a-c,b-c,0)≥0.也就是要证f(a,b,0)≥0.换言之

这是一个熟知的不等式.它等价于

使用算术-几何平均不等式有

两式相加除以( 4n+1)即证得不等式(2).
这样我们就完成了不等式(1)的证明.
上面的例子显示了函数f的一个特性:它关于变元t是单调递减的.这个特性我们称之为对角递减性.类似例1这样的例子并不是罕见的,事实上有较大的一类函数具有这种属性,可参考文献[1-6].本文中我们将对这类函数作相对深入的研究.
注释1例1中n=1的情况属于四川师范大学李昌勇.
注释2书[3]中阐述了与例1中类似的方法,称为全导数方法.书中也仅仅是使用该方法去证明不等式,并未对方法本身加以研究.
现在,来正式引入对角递减性的概念.
定义1:令x=(x1,…,xn),实空间Rn中第一卦限记为(不含原点),即

齐次函数f(x)如果满足对任意的点x都有

其中0≤t≤min{x1,…,xn},则称函数f(x)在上具有对角递减性.
对角递减性有一个几何解释……