Транснеравенство

(перенаправлено с «Перестановочное неравенство»)

Транснеравенство, также известное как перестановочное неравенство или неравенство об одномонотонных последовательностях, утверждает, что скалярное произведение двух наборов чисел является максимально возможным, если наборы одномонотонны (то есть оба одновременно неубывающие или одновременно невозрастающие), и минимально возможным, если наборы противоположной монотонности (то есть один неубывающий, а другой невозрастающий).

Другими словами, если и , то для произвольной перестановки чисел выполняется неравенство:

В частности, если , то независимо от упорядочивания .

Следствием перестановочного неравенства является неравенство Чебышёва для сумм.

ДоказательствоПравить

Обозначим  . Для доказательства удобно несколько переформулировать утверждение:

 

Здесь  множество всех возможных перестановок, а  тождественная перестановка.

Основная идея доказательства состоит в том, что если   для некоторых  , то, поменяв местами значения   и  , мы не уменьшим значение суммы  .

Рассмотрим указанную сумму для некоторой перестановки   и такой пары  . Рассмотрим перестановку, образуемую из   инверсий этой пары.

 

По определению,

 

Согласно выбору   и предположению об упорядоченности  , справедливо неравенство  , так что  .

Следовательно, мы можем уменьшать число инверсий, не уменьшая значения   (например, исправляя инверсии в порядке сортировки пузырьком). В итоге такой процесс приведёт к превращению   в  , так что  .

ОбобщенияПравить

Для нескольких перестановокПравить

Пусть даны   упорядоченных последовательностей  . Обозначим  . Тождественную перестановку по-прежнему будет обозначать как  .

Тогда   для любого набора  .

Для выпуклых функцийПравить

Идея доказательства через пошаговое исправление инверсий применима для более широкого класса случаев, чем просто для скалярного произведения.

Пусть  выпуклая функция,   и   упорядочены по неубыванию. Тогда

 

Умножая все значения   на  , можно вывести аналогичное неравенство, но со знаком в другую сторону, для вогнутых функций.

СледствияПравить

  • при   (выпуклая функция): обычное перестановочное неравенство для наборов   и  
  • при   (выпуклая функция):  

После сокращения обеих частей на  , опять получаем обычное перестановочное неравенство.

  • при   (вогнутая функция):  

После взятия экспоненты от обеих частей:  ;

  • при   (вогнутая функция):  

Неудачные попытки обобщенияПравить

В 1946 году была опубликована (Scripta Mathematica 1946, 12(2), 164—169) попытка следующего обобщения неравенства:

Для   и двух наборов вещественных чисел   и  ,

 

если число инверсий в перестановке   меньше чем в перестановке  .

Однако впоследствии оказалось, что это обобщение верно только для  . Начиная с   для этого обобщения существуют контрпримеры, как например:

 

СледствияПравить

Перестановочное неравенство интересно тем, что позволяет интуитивно объединить на общей основой внешне совершенно непохожие, применяемые в разных областях математики, числовые неравенства.

В этом разделе рассматриваются наборы чисел длины   и подразумевается, что обозначение   при   обозначает  , то есть зацикленность индексов.

Неравенство Коши — БуняковскогоПравить

Согласно перестановочному неравенству, для любого   выполняется  .

Из этого выводится частный случай неравенства Коши-Буняковского:

 

Аналогично, разбивая сумму на   частей по всем возможным  -мерным сдвигам индексов и используя обобщение на несколько перестановок, выводится более общее неравенство для целых  :

 

Общее неравенство Коши-БуняковскогоПравить

 

Если нормировать значения   и   таким образом, чтобы выполнялось  , то как следствие получается неравенство Коши-Буняковского. Для этого достаточно разделить все   на  , а все   на  . Поскольку неравенство Коши-Буняковского допускает такие деления без изменения истинности, то это доказывает утверждение.

Неравенства среднихПравить

Квадратичное и арифметическоеПравить

Неравенство между средним квадратичным и средним арифметическим элементарно выводится из доказанного выше частного случая неравенства Коши-Буняковского.

Арифметическое и геометрическоеПравить

Неравенство между арифметическим и геометрическим средним гласит, что

 

Умножая обе части на   и рассматривая  -ые степени переменных, увидим, что это то же самое, что

 
 

Последнее же неравенство легко получается из обобщения перестановочного неравенство на несколько перестановок при  

Геометрическое и гармоническоеПравить

Приведём неравенство к тому же виду, что и предыдущее:

 
 

Рассматривая  -ые степени переменных, получаем

 

Последнее неравенство легко получить прямым применением перестановочного неравенства для нескольких перестановок.

СсылкиПравить