를 만족하면 $f$는 $I$ 위에서 볼록(convex)이라 한다. 또한 식 $\myblue{(1)}$의 부등호의 방향이 반대인 경우, $f$는 $I$ 위에서 오목(concave)이라 한다. 수학에서 볼록함수(convex function)와 오목함수(concave function)은 특정한 형태의 부등식을 증명하는데 쓰이는 강력한 도구 중 하나이다. 만약에 주어진 함수 $f$가 오목이라면 (정의에 의해) $-f$는 반드시 볼록이기 때문에, 보통 부등식을 증명할 때에는 필요하다면 $-$ 부호를 붙여 $f$가 볼록임을 가정하는 것이 일반적이다. 하지만 이번 글에서는 반대로 $f$가 오목함수인 경우 유용하게 사용할 수 있는 정리에 대해서 알아볼 것이다. 우선 오목함수에 대한 젠센 부등식(Jensen inequality)을 살펴보자.
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이제 함수 $f : \R \to \R$가 $\R$ 전체에서 오목이라 가정하고, 다음과 같이 $F : \R \times \R_{++} \to \R$을 정의하자. (단, $\R_{++}$는 양의 실수 전체의 집합을 나타낸다.)
\[ F(x,\, y) = y \cdot f \Big( \frac{x}{y} \Big) \]
그러면 다음 정리가 성립한다.
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증명. $i = 1,\, \ldots,\, n$에 대하여 $\lambda_i = y_i / (y_1 + \cdots + y_n) > 0$로 정의하자. 그러면 $\lambda_1 + \cdots + \lambda_n = 1$이 성립함을 간단히 확인할 수 있다. $f$는 오목함수임을 가정했으므로, 젠센 부등식에 의해
즉, 코시-슈바르츠 부등식(Cauchy-Schwarz inequality)가 성립함을 증명할 수 있다.$ $
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예제 2. 티투의 보조정리(Titu's lemma)라고 불리는 정리는 코시-슈바르츠 부등식의 따름정리로 얻을 수 있는 부등식으로, 올림피아드 문제에서 분수 형태가 등장하는 부등식을 증명할 때 요긴하게 사용된다. 티투의 보조정리를 증명하기 위해서 $f(x) = x^2$를 생각해 보자. 그러면 $f$는 $\R$위에서 볼록함수이고, $F(x,\, y) = \frac{x^2}{y}$를 얻는다. 이제 부등식의 방향에 주의하면서 이변수 젠센 부등식을 적용하면 임의의 실수 $x_1,\, \ldots,\, x_n \in \R$과 양의 실수 $y_1,\, \ldots,\, y_i \in \R_{++}$에 대하여
마지막으로 위 식의 양변에 $r$ 제곱근을 취하면 일반화된 횔더 부등식 $\norm{a \ast b}_r \leq \norm{a}_p \norm{b}_q$를 얻는다. (단, $a \ast b = (a_1b_1,\, a_2b_2,\, \ldots,\, a_nb_n) \in \R^n$로 정의한다.) 이 부등식의 특수한 경우로 $r=1$인 경우, 즉, $1 = \frac{1}{p} + \frac{1}{q}$가 성립하는 경우, 일반적인 횔더 부등식 $\norm{a \ast b}_1 \leq \norm{a}_p \norm{b}_q$을 얻고, 나아가 $p = q = 2$인 경우, 코시-슈바르츠 부등식을 얻는다.$ $
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예제 4. 민코브스키 부등식(Minkowski inequality)는 $p$-노름(norm)에 대하여 삼각부등식(triangle inequality)가 성립함을 알려주는 중요한 부등식 중 하나로써, 임의의 양의 정수 $p$와 $a,\, b \in \R^n$에 대하여, $\norm{a+b}_p \leq \norm{a}_p + \norm{b}_p$가 성립함을 알려준다. 이를 증명하기 위해서 주어진 양의 정수 $p$에 대하여 $f(x) = (x^{\frac{1}{p}} + 1)^p$로 정의하자. 그러면 $f$는 $\R_+$ 위에서 오목함수임을 어렵지 않게 보일 수 있다. 한 편,
을 증명해 보도록 하자. 위 식을 보면 밀른의 부등식은 코시-슈바르츠 부등식을 개선한 부등식임을 알 수 있다. 우선 위 식의 첫번째 부등식은 티투의 보조정리(Titu's lemma)의 양변에 각각의 $i$에 대하여 $x_i = a_ib_i \in \R$, $y_i = a_i^2 + b_i^2 \in \R_{++}$를 대입하여 정리하면 얻을 수 있다. 이제 두번째 부등식을 증명하기 위해 함수 $f(x) = \frac{x}{1+x}$를 정의하자. 그러면 $f$는 $\R_+$에서 (좀 더 정확히는 $[-1,\, \infty)\vphantom{]}$에서) 오목함수이고, $F(x,\, y) = y \cdot f \big( \frac{x}{y} \big) = \frac{xy}{x+y}$를 얻는다. 따라서 이변수 젠센 부등식에 의해