Majorisatie ongelijkheid

Neem 2 geordende n-tallen x_1,\cots,x_n en y_1,\cdots,y_n. Als x_1 \geq x_2\geq \cdots \geq x_n,
y_1\geq y_2\geq \cdots \geq y_n,
x_1\geq y_1,
x_1+x_2\geq y_1+y_2, …,
x_1+x_2+\cdots+x_{n-1}\geq y_1+y_2+\cdots+y_{n-1} en x_1+\cdots+x_n=y_1+\cdots+y_n, dan zeggen we dat het n-tal (x_1,\cdots,x_n) het n-tal (y_1,\cdots,y_n) majorizeert en we noteren (x_1,\cdots,x_n)>(y_1,\cdots,y_n).

Dit gaan we gebruiken in volgende stelling over ongelijkheden:

Als f een convexe functie is op een interval I en (x_1,\cdots,x_n)>(y_1,\cdots,y_n) met x_i,y_i \in I, dan zal

    \[f(x_1)+\cdots+f(x_n)\geq f(y_1)+\cdots+f(y_n)\]

  • Als f strikt convex is krijg je een gelijkheid als en slechts als \forall i: x_i=y_i.
  • Er is een gelijkaardig resultaat voor concave functies, als je de ongelijkheidstekens omdraait.
  • Deze stelling is een veralgemening van de ongelijkheid van Jensen, waarbij (x_1,\cdots,x_n)> (x,\cdots,x). Hierbij is x het rekenkundig gemiddelde van de getallen x_i.

Een voorbeeld:

Vind de maximum waarde van a^{12}+b^{12}+c^{12} als -1\leq a,b,c \leq 1 en a+b+c=-\frac{1}{2}.

  • De functie f(x)=x^{12} is convex op \left[-1,1\right], want f''(x)=132x^{10}\geq 0 op \left[-1,1\right].
  • Veronderstel 1\geq a \geq b\geq c\geq -1.
  • Dan is (1,-\frac{1}{2},-1)>(a,b,c), want eerst en vooral is 1\geq a. Verder is -c\leq 1, dus is 1-\frac{1}{2} \geq -c-\frac{1}{2}=a+b.
  • Volgens de majorisatie ongelijkheid is dan a^{12}+b^{12}+c^{12} \leq f(1)+f(-\frac{1}{2})+f(-1)=2+\frac{1}{2^{12}}.
  • De maximumwaarde van 2+\frac{1}{2^{12}} wordt bereikt voor a=1, b=-\frac{1}{2} en c=-1.

Som 28

Op hoeveel manieren N kan je 28  schrijven als som van verschillende natuurlijke getallen ( \neq 0)?

  • Noteer S_k(n) als het aantal mogelijkheden om n te schrijven als som van k verschillende natuurlijke getallen, verschillend van 0.
  • Het is niet zo  moeilijk om S_2(28) uit te rekenen: 1+27,2+26,…13+15. Dus S_2(28)=13.
  • Omdat 1+2+3+4+5+6+7=28 is S_7(28)=1. Bovendien zal voor k>7: S_k(28)=0.
  • Berekenen we eerst S_3(28). Stel dus dat x+y+z=28 en neem x<y<z. Als x>1, dan is x-1,y-1,z-1 een drietal met som 25, dus een mogelijkheid  uit S_3(25). Omgekeerd kan je ook met elke mogelijkheid van S_3(25), een mogelijkheid van S_3(28) laten corresponderen met elementen groter dan 1. 
  • Stel echter dat x=1, dan is  y-1,z-1 een tweetal met som  25 en dus een mogelijkheid uit S_2(25).
  • Uit vorige redeneringen  volgt S_3(28)=S_3(25)+S_2(25) of algemener:

        \[S_3(n)=S_3(n-3)+S_2(n-3)\]

  • Herhaaldelijk toepassen van die formule geeft: S_3(28)=S_2(25)+S_2(22)+S_2(19)+S_2(16)+S_2(13)+S_2(10)+S_2(7)+S_2(4).
  • Maar S_2(n)=\frac{n}{2}-1 als n even is en S_2(n)=\frac{n-1}{2} als n oneven is. Hieruit volgt dat S_3(28)=12+10+9+7+6+4+3+1=52.
  • Om S_4(28) te berekenen gebruiken we een analoge formule S_4(n)=S_3(n-4)+S_2(n-4). Idem voor S_5(28) en S_6(28).
  • Enkele berekingen staan in volgende tabel en zo vinden we

        \[N=13+52+84+57+14+1=221\]

 

Harmonograaf

Deze tekening is gemaakt met een harmonograaf: een mechanisch toestel dat 2 onafhankelijke trillingen op de x-as en y-as uitzet in een grafiek.

 

De bekomen kromme kan gegeven worden door parametervergelijkingen van de vorm: 

    \[x(t)=A_1\sin b_1te^{-c_1t}+A_2\cos b_2te^{-c_2t}\]

    \[y(t)=A_3\sin b_3te^{-c_3t}+A_4\cos b_4te^{-c_4t}\]

Elke term is een gedempte trilling van de vorm

Door de parametersA_i,b_i,c_i te variëren krijgen we verschillende ‘mooie’ beeldjes.

Principe van Cavalieri

Bonavatura Cavalieri ( 1598 – 1647) was een Italiaanse wiskundige. Hij is bij ons vooral gekend om het volgende principe: 

Twee objecten met dezelfde hoogte en met, op elke niveau , een dwarsdoorsnede met dezelfde oppervlakte, hebben een gelijk volume.

Zo kan men bijvoorbeeld  de inhoud van een bol bepalen:

Links zie je een halve bol met straal r en rechts een cilinder met straal r en hoogte r, waaruit een kegel gehaald is. De dwarsdoorsnede op een hoogte x boven het vlak P voor de linkse figuur  is een schijf met straal \sqrt{r^2-x^2}. De oppervlakte is dus \pi(r^2-x^2). De dwarsdoorsnede van de rechtse figuur is een ring begrensd door  twee cirkels met stralen r en x. De oppervlakte is \pi r^2-\pi x^2. Volgens het principe van Cavalieri hebben beide figuren dus hetzelfde volume. De inhoud van een halve bol is dus \pi r^2.r -\frac{1}{3} \pi r^2.r=\frac{2}{3}\pi r^3 en dus is de inhoud van een  bol gelijk aan \frac{4}{3}\pi r^3.

Het principe kan ook toegepast worden op de oppervlakte van vlakke figuren te berekenen. Zo is  de oppervlakte van een rechthoek met breedte b en hoogte h gelijk is aan die van een parallellogram met basis b en hoogte h, want elke dwarsdoorsnede heeft dezelfde lengte bij rechthoek en parallellogram.