对数求和不等式

对数求和不等式

任给 a1,⋯,an,b1,⋯,bn>0,有 ∑i=1nailn⁡aibi≥(∑i=1nai)ln⁡∑i=1nai∑i=1nbi. 等号成立当且仅当 a1b1=⋯=anbn.

证明

记 A=∑i=1nai, B=∑i=1nbi.
设 f(x)=xln⁡x. 则 f′(x)=1+ln⁡x, f″(x)=1x>0, 所以这是一个下凸函数. 于是左边=∑i=1nbif(aibi)=B∑i=1nbiBf(aibi)≥∗Bf(∑i=1nbiB⋅aibi)=Bf(1B∑i=1nai)=Bf(AB)=Aln⁡AB=右边. 这里 * 用了琴生不等式. 取等条件是每个 aibi 都相等.