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加权均值与待定权重
变量在约束中的地位不同时,权重可以把取等条件调整到真正的最优点。权重不是任意增加的系数,必须满足相应的归一条件。
正权重的均值不等式
设 ,,,则
等号当且仅当所有 相等。允许零权重时,先删去对应项,只要求剩余变量相等。
证明:对 ,令 。由 , 在 处取得唯一最小值 。令 ,对 应用 ,乘以权重后相加得
取指数即得所证不等式;等号要求每个 。
两种不同的系数条件
另一种常用形式为:若 且 ,则对正数 ,
等号当且仅当 。这是对 使用等权均值所得。这里系数的积为 ,与上一节权重的和为 是两种不同的条件。
取共轭指数 、,对 使用权重 ,得到杨氏不等式
等号当且仅当 。 或 为零时直接代入仍成立。
例:不对称约束下的最值
若 ,,求 的最大值。
将约束看成 ,等权均值得 ,在 时取等。
也可令 ,使用权重 :
两边立方同样得 。若误对 使用等权均值并要求 ,会把最优点误判为 。
任意实指数的加权幂平均
设 。对实数 定义
另定义 。若 ,则 ,等号当且仅当所有 相等。零权重可删去。
当 时,函数 在正半轴严格凸。对 使用有限加权凸性不等式得
取 次方根得到结论。当 时,对倒数 使用刚证的正指数结论,并利用 ,得到同样次序。
对 ,加权均值给出 ,故 。对倒数同理得到 ()。这也涵盖跨越零的情况,无须把 代入含 的式子。
因此 统一了调和、几何、算术和平方平均。负指数与几何平均都要求正数;若允许零,必须另行约定,不能直接沿用当前定义。