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English

凸な関数は接線より上にある(相加相乗もイェンゼンもここから出る)

下に凸な関数には、 つの位置関係があります。接線はグラフの下、弦はグラフの上[3]

この つが、そのまま不等式になります。ひとつは接線による評価、もうひとつが弦による評価です。

黒が関数、青が接線、赤が弦です。 本の直線が、曲線をはさんでいます。

接線による不等式

での接線は です。下に凸なので、接線は曲線の下。

等号は接点だけで成り立ちます。同じ手で、 での接線から次が出ます。

は上に凸なので、向きが逆になります。接線が上にくる形です。

接点をずらせば、別の不等式が作れます。 での接線からは が出る。

弦による不等式

区間の両端を結ぶ弦は、下に凸な関数のグラフより上にあります。この事実を式にしたものがイェンゼンの不等式です[1]

点の場合を書きます。 とします。

左辺が曲線の高さ、右辺が弦の高さ。上に凸なら不等号の向きが逆になります。

青い縦線が、弦と曲線のへだたりです。 を動かしても負にはならず、両端でだけ になります。

n 個に広げる

重みを 個にしても成り立ちます[1]。和が の正の数 について書きます。

証明は数学的帰納法です。 が凸性の定義そのもので、そこから つずつ増やしていきます。

重みをすべて にすると、平均どうしの比較になります。

例:相加平均と相乗平均

は上に凸なので、不等号の向きが逆になります[2]

右辺は と書けます。 が増加関数なので、中身どうしを比べられます。

相加平均と相乗平均の関係が出ました。等号は、すべての値が等しいときだけ[2]

なら です。面積が同じ長方形のうち、正方形がいちばん周が短い、という話と同じ内容になります。

が上に凸であることは、どの計算から分かるか。

__RESULT__

凹凸を決めるのは第 2 次導関数の符号です。 は定義域全体で負なので、上に凸になります。

例:三角形の角に使う

で上に凸です。三角形の つの角に、 の形を当てます。

右辺は なので、

等号は 、つまり正三角形のときです。凸性の不等式は、等号の場合が「全部そろったとき」になります。

接線と弦の使い分け

接線を使う

点のまわりで押さえるとき。 のように、 変数の評価になる

弦を使う

いくつかの値の平均を比べるとき。相加相乗のように、 変数の評価になる

接線は 点の情報から出る不等式、弦は複数点の関係から出る不等式です。どちらも凹凸の符号がもとになっています[3]

の等号が成り立つのはどんなときか。

  • のとき
  • のとき
  • のとき
__RESULT__

すべての値が等しいときだけ等号になります。 を展開しても、同じ条件が出ます。

押さえるところ

下に凸なら、接線は下、弦は上。上に凸なら逆になります。
接線による不等式は、接点をどこにとるかで形が変わります。
イェンゼンの不等式は、弦が上にあることの一般形です。
の凹性から相加相乗が出ます。等号はすべて等しいとき。
凹凸は の符号で決めます。まずそこを計算します。

不等式を作るとき、どの関数の凹凸を使うかが最初の判断です。 のどれかで片づくことが多い。

参考文献

Jensen's inequality - Wikipedia
AM–GM inequality - Wikipedia
Point d'inflexion - Wikipédia(フランス語)
下に凸な関数では、接線がグラフの下、弦が上にきます。この位置関係がそのまま $e^x \ge x+1$ と $\log x \le x-1$ になる。弦のほうを $n$ 個へ広げたものがイェンゼンの不等式で、$\log$ の凹性に当てると相加平均と相乗平均の関係が出ます。弦と曲線のへだたりが $t$ を動かしても負にならない様子も図にしました。三角形の角に使う例つき。