南开大学近年的数学考研题中有这样一个积分不等式证明题:设
在
上连续可微,且
,试证:
. (1)
这个数学证明题有一定困难,一是不等式的右边是一个具体的数字,而不是一个数学式子,提供的解题思路很少。二是条件与结论中涉及的三个被积函数
,
及
之间有什么关系需要弄清楚。因此其证明有较大难度。下面给出一种利用重积分的证明方法,并在此基础给出多种形式的推广。
式(1)的证明:设
,利用分部积分法,有
,
两边同时积分,得
,
交换积分次序,并根据已知条件,有
,
又因为由已知条件,有
,
据此并利用Hölder不等式(见 [1] ),有
,
利用Beta函数与Gamma函数(见 [2] )的定义与性质,有
,
所以
,
从而(1)式成立。
下面我们利用此证明方法,给出几种推广。
命题1 设
在
上连续可微,
,且
,则有
.
证明:由前述证明,可得
,
利用Hölder不等式,有
,
所以
,
又因为
于是
.
注:当
时,便得到式(1)。
命题2 设
在
上有
阶连续导数,
,
,
,且
,
.
则有
.
证明:利用分部积分法,有
两边同时积分并利用已知条件,得到
又因为
,
所以有
于是
.
注:当
,
时,则可得到式(1)。
命题3 设
在
上有
阶连续导数,
,且
,
,
则有
.
证明:仿命题2的证明,可得
,
利用涉及多个函数的Hölder不等式(见 [1] ),有
于是得到
.