Inégalité arithmético-géométrique
La moyenne arithmétique de réels strictement positifs est supérieure à leur moyenne géométrique. Trois démonstrations : par récurrence, par le logarithme (Engel), et celle de Cauchy.
Par récurrence sur n. Initialisation : pour n = 1, a1 = 1 et 1 ≥ 1.
Hérédité : soit a1, …, an + 1 de produit 1. Quitte à les renuméroter, a1 ≤ 1 ≤ an + 1 (ils ne peuvent pas être tous strictement plus grands que 1, ni tous strictement plus petits). Comme a1an + 1(a2⋯an) = 1, l'hypothèse de récurrence appliquée aux n réels a1an + 1, a2, …, an donne a1an + 1 + a2 + … + an ≥ n.
Or a1 + an + 1 − (a1an + 1 + 1) = (1 − a1)(an + 1 − 1), qui est positif. Donc a1 + … + an + 1 ≥ a1an + 1 + 1 + a2 + … + an ≥ n + 1.
Posons G = nx1⋯xn et ai = xiG pour i ∈ ⟦1, n⟧. Les ai sont strictement positifs et leur produit vaut x1⋯xnGn, c'est-à-dire 1.
D'après le lemme, a1 + … + an ≥ n, soit x1 + … + xnG ≥ n : c'est l'inégalité voulue.
Soit S = x1 + … + xnn. Pour tout i, le lemme donne ln(xiS) ≤ xiS − 1. En sommant :
On montre la forme équivalente P(n) : (x1 + … + xnn)n ≥ x1⋯xn, et on note A l'ensemble des n ∈ ℕ* qui la vérifient. P(1) est vraie.
P(2) : pour x1 et x2 strictement positifs, x1 + x22 ≥ x1x2 ⟺ x1 − 2x1x2 + x2 ≥ 0, et le second membre est (x1 − x2)2.
Si 2m est dans A, alors 2m + 1 aussi : on coupe les 2m + 1 réels en deux moitiés, on applique P(2) aux deux moyennes, puis P(2m) à chaque moitié. Par exemple, pour quatre réels, x1 + x22 + x3 + x422 ≥ x1x2x3x4 ≥ 4x1x2x3x4. Toutes les puissances de 2 sont donc dans A.
Si n + 1 est dans A, alors n aussi : on applique P(n + 1) à x1, …, xn et à leur moyenne S = x1 + … + xnn. La moyenne des n + 1 réels est x1 + … + xn + Sn + 1 = S, donc Sn + 1 ≥ (x1⋯xn)S, soit Sn ≥ x1⋯xn.
Enfin, pour tout n ∈ ℕ*, il existe une puissance de 2 supérieure à n, qui est dans A ; en redescendant un par un, n est dans A.
Pour tout n ∈ ℕ* et tous réels strictement positifs x1, …, xn : x1 + … + xnn ≥ nx1⋯xn ≥ n1x1 + … + 1xn.
La première inégalité est l'inégalité arithmético-géométrique. Appliquée aux réels 1x1, …, 1xn, elle donne 1x1 + … + 1xnn ≥ 1nx1⋯xn, et on passe à l'inverse.