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コーシー・シュワルツの不等式(内積で読む)

実数 , , , に対して、次が成り立ちます。

コーシー・シュワルツの不等式です。左辺は 乗和どうしの積、右辺は掛けて足したものの 乗。等号が立つのは 、つまり のときです。

差をとると平方が残る

証明は展開して引くだけ。左辺を展開すると 、右辺は 。差をとります。

きれいに 乗が残りました。等号は のとき。

内積で読むと意味が見える

, と置くと、この不等式は内積の話になります。

内積は なので、右辺は だから成り立つ、というだけの話です。

等号は 、つまり つのベクトルが平行なとき。 という条件は、平行を成分で書いたものでした。

本のベクトルが開くにつれて、下のバーが縮みます。バーの右端が 、いまの長さが 。重なったときだけ右端に届く。

判別式でも示せる

もう つの証明を挙げます。実数 についての 次式を作る方法です。

乗の和なので、どんな でも 。展開すると 次式になります。

次係数が正で、すべての 以上。したがって判別式が 以下です。

移項すればコーシー・シュワルツの形。等号は となる が存在するとき、つまり かつ を満たす があるときです。

この道筋は文字が増えても通用します。 個の場合でも同じ 次式を作れば示せる。

最大最小に使う

のとき の最大値を求めます。 と見て当てはめる。

左辺は なので 、よって 。最大値は です。

等号は かつ から のとき。三角関数で置きかえる解き方より短く済みます。

単位円を 周させると、 の値が のあいだを行き来します。薄い線は の向き。点がその向きに来たときだけ、バーが端に届きます。

使いどころの見分け

コーシー・シュワルツが効くのは、 乗和が条件に、 次式が目標に現れる問題です。 のもとで を評価する形が典型。

逆向きもあります。 のもとで の最小値を求める問題なら、 から 。等号は です。

どちらに使うかは、条件と目標のどちらが 乗和かを見て決めます。

(a²+b²)(x²+y²) ≥ (ax+by)²。差をとると (ay - bx)² が残るだけで証明は終わります。ベクトルに直せば、内積が |p||q|cosθ である以上 cos²θ ≤ 1 という当たり前の話。判別式を使う別証も挙げました。x² + y² = 1 のもとで 3x + 4y の最大値を出す、といった場面で短く効きます。