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优超、卡拉玛塔与三元米尔黑德

拓展更新于 2026-09-29

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优超比较“总和相同但分散程度不同”的两个有限数列。它适合解释凸函数求和,也能组织对称的幂次不等式。本篇属于强基拓展,可在基础均值与柯西之后选读。

优超的精确定义

把两组实数都按非增顺序排列为 x1≥⋯≥xnx_1\ge\cdots\ge x_n、y1≥⋯≥yny_1\ge\cdots\ge y_n。若总和相同,且

∑i=1kxi≥∑i=1kyi(1≤k<n),\sum_{i=1}^k x_i\ge\sum_{i=1}^k y_i\qquad(1\le k<n),

称 xx 优超 yy,记为 x⪰yx\succeq y。例如 (3,0,0)⪰(1,1,1)(3,0,0)\succeq(1,1,1)。

这里先排序、再比较部分和。相同总和不足以保证可比较,例如 (4,1,1)(4,1,1) 与 (3,3,0)(3,3,0):第一项前者较大,前两项却后者较大,二者互不优超。

卡拉玛塔与有限证明

若 ff 在包含所有 xi,yix_i,y_i 的同一区间凸,且 x⪰yx\succeq y,则 ∑f(xi)≥∑f(yi)\sum f(x_i)\ge\sum f(y_i)。

记 t+=max⁡(t,0)t_+=\max(t,0)。对任意实数 tt,有

∑i(xi−t)+=max⁡0≤k≤n(∑i=1kxi−kt).\sum_i(x_i-t)_+=\max_{0\le k\le n}\left(\sum_{i=1}^k x_i-kt\right).

因此优超直接给出 ∑(xi−t)+≥∑(yi−t)+\sum(x_i-t)_+\ge\sum(y_i-t)_+。

再把所有出现的取值从小到大列为有限节点。在这些节点间用直线连接 ff 的值;凸性保证相邻线段斜率不减。因此这个折线函数可写成 a+bu+∑jcj(u−tj)+a+bu+\sum_j c_j(u-t_j)_+,其中 cj≥0c_j\ge0 是各内部节点的斜率增量。在所有待比较取值上,折线与 ff 相等;常数项和一次项的和相消,各折点项由前一不等式比较,得证。只有一个节点时结论直接相等。

等号条件

凹函数的不等号反向。对一般凸函数,以上证明也给出准确的等号判据:在每个斜率增量 cj>0c_j>0 的内部节点 tjt_j,都必须有

∑i(xi−tj)+=∑i(yi−tj)+.\sum_i(x_i-t_j)_+=\sum_i(y_i-t_j)_+.

斜率增量为零的节点不增加限制。例如 f(u)=uf(u)=u 时没有正的斜率增量,所有同和数列均取等。

若 ff 严格凸,等号当且仅当两组数排序后逐项相同。为证明必要性,假设两组排序后不同,取第一个不同的位置 kk。优超条件给 xk>ykx_k>y_k。令 t=ykt=y_k,则

∑i(xi−t)+≥∑i=1k(xi−t)>∑i=1k(yi−t)=∑i(yi−t)+.\sum_i(x_i-t)_+\ge\sum_{i=1}^k(x_i-t) >\sum_{i=1}^k(y_i-t)=\sum_i(y_i-t)_+.

这里 i<ki<k 的两组数相同,i≥ki\ge k 的 yi≤ty_i\le t,保证严格不等式。因总和相同,必还有某个 xi<tx_i<t;又 xk>tx_k>t,所以 tt 是全部取值中的内部节点。严格凸保证该处的相邻割线斜率严格增加,即 cj>0c_j>0,于是整个函数和之差严格为正,不能取等。充分性直接成立。

三元米尔黑德的规范形式

设指数 α1≥α2≥α3\alpha_1\ge\alpha_2\ge\alpha_3、β1≥β2≥β3\beta_1\ge\beta_2\ge\beta_3 满足 α⪰β\alpha\succeq\beta,且 x,y,z>0x,y,z>0。令对称和遍历六个变量排列,即使项重复也照数,则

∑symxα1yα2zα3≥∑symxβ1yβ2zβ3.\sum_{\mathrm{sym}}x^{\alpha_1}y^{\alpha_2}z^{\alpha_3}\ge\sum_{\mathrm{sym}}x^{\beta_1}y^{\beta_2}z^{\beta_3}.

实指数配正底数可避免零的负次幂。非负整数指数可将对应单项式作为多项式理解,结论也延伸到非负底数。

在 x,y,z>0x,y,z>0 的条件下,等号分类为:若排序后的两组指数相同,两边恒等;若两组指数不同,等号当且仅当 x=y=zx=y=z。后者的理由见下面的平均化证明。允许零底数后还有更多边界等号,须直接检查实际多项式,不能沿用正数情形的唯一条件。

两次平均化给出三元证明

固定 x,y>0x,y>0 和指数和 ss。若把一对指数向平均值靠拢,则 xuys−u+xs−uyux^uy^{s-u}+x^{s-u}y^u 不增。证明:写原两个正项为 X,YX,Y,平衡后的两个项可表示成 XλY1−λX^\lambda Y^{1-\lambda}、X1−λYλX^{1-\lambda}Y^\lambda,0≤λ≤10\le\lambda\le1,各用加权均值后相加至多为 X+YX+Y。将对称和按其余变量的指数配对,得到对称和也不增。

还需说明优超允许这样的步骤。记原指数为 a≥b≥ca\ge b\ge c,目标为 u≥v≥wu\ge v\ge w,其中 a≥u,c≤wa\ge u,c\le w 且和相同。若 u≥bu\ge b,先把 (a,b)(a,b) 平衡成 (u,a+b−u)(u,a+b-u),再把 (a+b−u,c)(a+b-u,c) 平衡成 (v,w)(v,w)。若 u<bu<b,先把 (a,c)(a,c) 平衡成 (u,a+c−u)(u,a+c-u),再把 (b,a+c−u)(b,a+c-u) 平衡成 (v,w)(v,w)。各步目标值都位于原一对数之间,且和保持,故上述二项结论可连续应用,完成证明。

若排序后的指数不同,至少一步是真正的平均化:两个原指数不同,且 0<λ<10<\lambda<1。加权均值的等号要求该对正项 X=YX=Y。六项对称和中,这两个不同指数会分别配到任意一对变量;若变量不全相同,至少一对变量不等,使相应的 X≠YX\ne Y,该步严格下降。因此正变量时只有 x=y=zx=y=z 可以取等。

例与不能照搬的概括

指数 (2,0,0)⪰(1,1,0)(2,0,0)\succeq(1,1,0),两边对称和都含重复项,约去公因子 22 后得到 x2+y2+z2≥xy+yz+zxx^2+y^2+z^2\ge xy+yz+zx。

函数在一段凹、另一段凸时,不能据此断言固定总和下一定有全局最值。例如 f(t)=t3f(t)=t^3 在负半轴凹、正半轴凸,而三变量和为零时取 (−t,−t,2t)(-t,-t,2t),函数和为 6t36t^3,上下均无界。若变量限制在有限闭区间,虽有最值,也不能无条件断言至少 n−1n-1 个变量落在指定的半区间并相等;还需检查总和约束的可行性及端点。

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