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English

相加相乗平均は双曲線と直線が接する話だった

のとき 。等号が成り立つのは のとき。

この不等式を図にすると、双曲線 と直線 でちょうど接する、という話になります。

直線を下ろしていく

の第 1 象限の枝を描き、傾き の直線 を重ねます。

が大きいと直線は右上にあり、双曲線と 2 点で交わる。 を小さくしていくと、2 つの交点が近づきます。

でひとつに重なり、それより小さくすると直線は双曲線から離れる。交点がなくなります。

つまり がとれる値は 以上。これが相加相乗平均の不等式そのものです[1]

判別式で言い直す

を代入すると 。分母を払って整理します。

実数解を持つ条件は から なので です。

が「接する」にあたり、そこが等号成立。判別式が になる位置と、等号が成り立つ位置が一致しています。

不等式の等号が成り立つ場所は、直線が曲線に接する位置にあたります。

交わっているうちは、まだ を動かせる。動かせなくなったところが限界です。

一般の相加相乗

)で同じことをします。 を代入すると

判別式は 。接点は です。

と読みかえれば 。相加平均と相乗平均の関係になりました。

積が一定という条件が双曲線、和を測る道具が直線。2 つの図形の位置関係が、そのまま不等式になっています。

傾きを変えると係数が入る

直線を にします。 に接する条件を出す。

を代入して 、分母を払って

判別式 から 。これが の最小値です。

なら 。実際 で、等号は のとき。 で合っています。

例:条件つきの最小

のとき の最小値を求めます。

の積は で一定。相加相乗から です。

等号は のとき。 と連立すると

図でいえば、双曲線 に直線 を近づけ、接する位置を探したことになります。

負のほうの枝

では になります。不等号の向きが逆になる。

第 3 象限の枝と、直線 で接する。今度は の最大値が になります。

の判別式は同じ ですが、 から が付く。 です。

符号の場合分けを忘れやすいところですが、図を見れば枝が 2 本あることがすぐ分かります[2]

楕円なら別の不等式が出る

同じ見方を楕円でやります。 に直線 を近づける。

接する条件から 。だから曲線上では が成り立ちます。

これはコーシー・シュワルツの不等式にあたる形です。双曲線からは相加相乗、楕円からは別の不等式が出てくる。

不等式を「直線が曲線に届く限界」として読む。この見方は、曲線が変わっても使えます[3]

双曲線

積が一定。 が出る

楕円

乗の和が一定。 が出る

つまずきやすいところ

という条件を落とすと、 という結論が出せません。判別式だけでは の側も残ってしまいます。

等号成立の値を書き忘れるのも多い誤り。接点の座標を求めるところまでが答えです。

「和が一定なら積が最大」という別の話と混ざりやすいところ。こちらは直線を固定して双曲線を動かす形で、役割が入れかわっています[4]

のとき の最小値はどれですか。

__RESULT__

で一定なので です。等号は 、つまり のとき。

図としての意味も確かめます。

相加相乗平均の等号が成り立つとき、図の上では何が起きていますか。

  • 直線が双曲線と 2 点で交わる
  • 直線が双曲線に接する
  • 直線が双曲線の漸近線と重なる
__RESULT__

判別式が になる位置なので、交点が 1 つに重なります。2 点で交わっているうちは、まだ を動かせます。

不等式を式のまま眺めると覚える対象になりますが、図にすると「直線がどこまで下りられるか」という 1 つの問いに変わります。

参考文献

Hyperbola. Wolfram MathWorld.
Daniel Perrin. *Un memento sur les coniques*. Université Paris-Saclay.
Jean-Marc Decauwert. *Coniques*. Maths en Ligne, Université Joseph Fourier, Grenoble.
*Kegelschnitte*. linalg.ch.
$x > 0$ で $x + 1/x \geq 2$。これは $xy = 1$ に $x + y = k$ を近づけ、$k = 2$ で接するという図です。代入して $x^2 - kx + 1 = 0$ の判別式が $0$ になる位置が、そのまま等号成立。傾きを変えて $px + qy = k$ にすると最小値は $2\sqrt{pq}$ になります。$x < 0$ の枝では向きが逆になること、同じ見方を楕円に当てるとコーシー・シュワルツ側の不等式が出ることまで。