主题目录

排序不等式与切比雪夫不等式

拓展更新于 2026-09-29

本页目录

当两列数都已排序,较大数配较大数会增加乘积和,这是排序方法的基本局部操作。

排序不等式为何适用

研究 ∑aici\sum a_ic_i 时,若 c1,…,cnc_1,\ldots,c_n 只是同一组数的不同排列,就可以在所有配对之间比较。局部交换的依据是:对 a≤b,c≤da\le b,c\le d,

ac+bd−ad−bc=(b−a)(d−c)≥0.ac+bd-ad-bc=(b-a)(d-c)\ge0.

因此把较大的系数配给较大的数,会使乘积和不减。所有数都可以为负,判断依据是两组数各自的顺序。

下面先给出完整的双侧结论和等号条件,再说明另一种利用部分和的证明。完全对称的原问题可以先将变量排序;仅有循环对称时,任意换位可能改变原式,必须先确认允许的换位。

排序不等式与切比雪夫不等式的双侧形式

设 a1≤⋯≤ana_1\le\cdots\le a_n、b1≤⋯≤bnb_1\le\cdots\le b_n,均为实数,σ\sigma 为任意排列。则

∑i=1naibn+1−i≤∑i=1naibσ(i)≤∑i=1naibi.\sum_{i=1}^n a_i b_{n+1-i}\le\sum_{i=1}^n a_i b_{\sigma(i)}\le\sum_{i=1}^n a_ib_i.

不要求各数为正。证明的基本交换是:当 i<ji<j 且 bσ(i)>bσ(j)b_{\sigma(i)}>b_{\sigma(j)} 时,将这两项交换后,和增加

(aj−ai)(bσ(i)−bσ(j))≥0.(a_j-a_i)(b_{\sigma(i)}-b_{\sigma(j)})\ge0.

逐次消除逆序得到上界;按相反方向交换得到下界。上界取等的精确条件是 ai<aja_i<a_j 时必有 bσ(i)≤bσ(j)b_{\sigma(i)}\le b_{\sigma(j)};下界对应 bσ(i)≥bσ(j)b_{\sigma(i)}\ge b_{\sigma(j)}。两列均严格递增时,只有完全同序或完全反序分别取等;有重复值时允许在相等项间交换。

切比雪夫双侧式:

n∑aibn+1−i≤(∑ai)(∑bi)≤n∑aibi.n\sum a_i b_{n+1-i}\le(\sum a_i)(\sum b_i)\le n\sum a_ib_i.

右侧可由恒等式

n∑aibi−(∑ai)(∑bi)=∑i<j(aj−ai)(bj−bi)≥0n\sum a_ib_i-(\sum a_i)(\sum b_i) =\sum_{i<j}(a_j-a_i)(b_j-b_i)\ge0

直接证明;将 bb 反序,各项差异号,得到左侧。若 n≥2n\ge2,任意一侧取等当且仅当至少一列为常数列:两列若都不恒定,则首末项差均非零,右侧和至少有一项为正;反序同理。n=1n=1 时恒为等式。

用部分和证明排序不等式

仍设 a1≤⋯≤ana_1\le\cdots\le a_n,b1≤⋯≤bnb_1\le\cdots\le b_n,c1,…,cnc_1,\ldots,c_n 是 bb 的任意排列。令

Dk=∑i=1k(bi−ci).D_k=\sum_{i=1}^k(b_i-c_i).

因为 b1,…,bkb_1,\ldots,b_k 是整组数中最小的 kk 个,Dk≤0D_k\le0,并且 Dn=0D_n=0。写 bi−ci=Di−Di−1b_i-c_i=D_i-D_{i-1}、D0=0D_0=0,展开并错位合并,得到有限求和恒等式

∑i=1nai(bi−ci)=anDn+∑k=1n−1(ak−ak+1)Dk=∑k=1n−1(ak−ak+1)Dk≥0.\begin{aligned} \sum_{i=1}^na_i(b_i-c_i) &=a_nD_n+\sum_{k=1}^{n-1}(a_k-a_{k+1})D_k\\ &=\sum_{k=1}^{n-1}(a_k-a_{k+1})D_k\ge0. \end{aligned}

这证明任意排列和不超过同序和。

类似地,前 kk 个反序项 bn,…,bn+1−kb_n,\ldots,b_{n+1-k} 是最大的 kk 个,故将 DkD_k 改为 ∑i=1k(bn+1−i−ci)≥0\sum_{i=1}^k(b_{n+1-i}-c_i)\ge0,同一恒等式给出反序和不大于任意排列和。这种整理称为有限阿贝尔变换,适合已掌握部分和大小关系的情形。

排序等号与切比雪夫等号要分别检查

若两列都已递增,同序配对本身就使排序不等式的上界取等号,无须某列为常数。例如 (1,2)(1,2) 与 (3,4)(3,4) 同序配对得 1111,已经是最大乘积和,而两列都非常数。

若两列都严格递增,同序最大值只在同序配对时取得,反序最小值只在反序配对时取得;有相同元素时,交换这些元素不会改变和。一般情形可沿交换证明逐步检查:每次被交换的一对,只有差的乘积为零才不改变值。

切比雪夫不等式比较的是同序乘积和与均值乘积,等号条件是另一个问题,应使用上一节的差积恒等式。

例

正数 a,b,ca,b,c 与倒数 1/a,1/b,1/c1/a,1/b,1/c 反序,因此

3≤(a+b+c)(1/a+1/b+1/c)3.3\le\frac{(a+b+c)(1/a+1/b+1/c)}3.

从而乘积至少为 99,等号在三数相等时取得。这与分式柯西所得结论一致,但组织信息的方式不同。

关联阅读

先修:不等式的性质与解法。

同主题:柯西不等式与分式形式 · 凸性与有限加权不等式。

返回主题目录 · 全站目录 · 符号约定