定積分と不等式 関連問題
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において、
,
が積分可能で、この範囲において、
とするとき、

不等式の等号は、
における任意のxについて、
であるときに限り成立する。
において、
が積分可能で、
とするとき、区分求積法の議論より、定積分
は、曲線
と、x軸、直線
,直線
によって囲まれる部分の面積(負の値にはなりません)を表します。
における任意のxについて、
であれば、
・・・@
に含まれるある区間
において、
であれば、明らかに、
です。
内の残る区間においても、明らかに、
,
です。よって、

@と合わせて、
・・・A
不等式の等号は、
における任意のxについて、
であるときに限り成立します。
ここで、
とおくと、
において、
は積分可能で、
です。
よって、Aにより、

であり、不等式の等号は、
における任意のxについて、
,つまり、
であるときに限り成立します。
∴ 
不等式の等号は、
における任意のxについて、
であるときに限り成立します。
(証明終)
上記の証明と同様なことを考える例を示します。
例1.
において、積分可能で2回以上微分可能な関数
があるとき、
かつ
かつ
であれば、
であることを示す。
[解答]
より、
は単調減少で、
です。また、
より、
において、
です。
とおくと、
より、
,また、
より、
∴ 
また、
において、
より、曲線
は上に凸で、接線から下側に来ます。 ・・・@
における接線は、
・・・A
における接線は、
・・・B
A,Bを連立すると、
∴ 
よって、2接線A,Bの交点は、
です。
@より、
とx軸で囲む部分の面積は、2直線A,Bとx軸で囲む部分(底辺1,高さ
の三角形)の面積
よりも小さくなります。よって、

上記の結果:
⇒
を使う例を示します。
例2.
のとき、
であることを示す。
[解答] 不等式中辺の定積分は計算できないので、定積分の計算をしないで示すことを考えます。
のとき、
です。
において、
より、
であり、
が成立します。よって、
・・・@ (被積分関数に関する不等式に等号が入らないので、定積分の不等式にも等号が入らないことに注意)

@右辺の定積分は、
とおくと、
,x:
のとき、φ:
(置換積分(その2)を参照)
@に代入して、

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