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(Elegante) la prueba de una desigualdad: $h(x) \geq 1- (1-\frac{x}{1-x})^2$ donde $h$ es el binario de la entropía de la función

Estoy buscando la manera más concisa y elegante prueba de la siguiente desigualdad: $$ h(x) \geq 1- \left(1-\frac{x}{1-x}\right)^2, \qquad \forall x\in(0,1) $$ donde $h(x) = x \log_2\frac{1}{x}+(1-x) \log_2\frac{1}{1-x}$ es el binario de la entropía de la función. A continuación se muestra un gráfico de las dos funciones.

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Por supuesto, una opción sería para diferenciar $1,2,\dots,k$ a veces, y el estudio de la función de esta forma - puede funcionar muy bien, pero no es sólo computacionalmente engorroso, también se siente absolutamente nada elegante. (Para mis propósitos, me podría ir por este camino, pero prefiero que no.)

Estoy buscando un inteligente u ordenada argumento que implican la concavidad, la expansión de Taylor alrededor de $1/2$, o cualquier cosa - un enfoque que se puede calificar como "prueba del Libro".

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Claude Leibovici Puntos 54392

No creo que esto es lo suficientemente elegante.

Teniendo en cuenta $$ h(x) = x \log_2\frac{1}{x}+(1-x) \log_2\frac{1}{1-x}$$ $$g(x)=1- \left(1-\frac{x}{1-x}\right)^2$$ $$f(x)=h(x)-g(x)$$ Expanding $f(x)$ as a Taylor series built at $x=\frac 12$, the result is $$f(x)= \left(16-\frac{2}{\log (2)}\right)\left(x-\frac{1}{2}\right)^2+64 \left(x-\frac{1}{2}\right)^3+ O\left(\left(x-\frac{1}{2}\right)^4\right)$$

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user15381 Puntos 32

Como señalé en mi comentario, que es suficiente para demostrar la desigualdad de la $x\in[0,\frac{1}{2}]$. Tenga en cuenta que la desigualdad se convierte en una igualdad en los extremos, $0$$\frac{1}{2}$. El la desigualdad es más apretado alrededor de $\frac{1}{2}$ de $0$. En nuestra prueba, vamos a distinguir dos (superposición) de los casos, $x$ cerca de $0$ o $x$ cerca de $\frac{1}{2}$. Al $x$ es cerca de $\frac{1}{2}$, nos Taylor-ampliar los registros en $\frac{1}{2}$. Al $x$ es cerca de $0$, usamos más burdas (constante, de hecho) de los límites en los registros.

Tenemos que demostrar que

$$ x\log(x)+(1-x)\log(1-x) \leq \log(2)\left(\frac{3x^2-2x}{(1-x)^2}\right) \etiqueta{1} $$

Como $\frac{\log(1-x)-\log(\frac{1}{2})}{\frac{1}{2}-x}\leq 2 \leq \frac{\log(\frac{1}{2})-\log(x)}{\frac{1}{2}-x}$,$\log(x) \leq (-1-\log(2))+2x$$\log(1-x) \leq (1-\log(2))-2x$, por lo que (1) se de ser cierto cuando

$$ x\left[(-1-\log(2))+2x\right]+(1-x)\left[(1-\log(2))+2x\right] \leq \log(2)\left(\frac{3x^2-2x}{(1-x)^2}\right) \etiqueta{2} $$

Por construcción, (2) es simplifiable por $(x-\frac{1}{2})^2$ y un poco de limpieza, masaje muestra que (2) es equivalente a $(1-x)^2 \leq \log(2)$. Esto demuestra (1) para $x\geq 1-\sqrt{\log(2)}$. Tenga en cuenta que el número de $1-\sqrt{\log(2)} \approx 0.167$ es estrictamente menor que $0.2$.

Ahora, vamos a tratar el caso al $x\leq 0.2$. A continuación, $\log(x)\leq\log(0.2)$ y $\log(1-x)\leq 0$, de modo que (1) es verdadera siempre que $$ x\log(0.2) \leq \log(2)\left(\frac{3x^2-2x}{(1-x)^2}\right) \etiqueta{3} $$

Claramente, (3) es equivalente a $$ \frac{\log(0.2)}{\log(2)} \leq \frac{3x-2}{(1-x)^2} $$ Ahora, la CARTA puede ser reescrito $-\frac{35}{16}+\frac{35(\frac{1}{5}-x)(\frac{3}{7}-x)}{16(1-x)^2}$ y llegamos a la conclusión de la prueba señalando que $\frac{\log(0.2)}{\log(2)} < -\frac{35}{16}$ debido a $\frac{\log(0.2)}{\log(2)} \approx -2.32$$-\frac{35}{16} \approx -2.18$.

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Clement C. Puntos 16603

El largo y doloroso camino: "distinguir y diferenciar."

Definir $f,g\colon (0,1)\to \mathbb{R}$$f(x) = 1-4\left(x-\frac{1}{2}\right)^2$$g(x) = 1-\left(1-\frac{x}{1-x}\right)^2$. Vamos a mostrar $$ h(x) \geq f(x) \geq g(x), \qquad x\in(0,1). $$

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La reclamación. $h(x) \geq f(x)$ todos los $x\in(0,1)$.

Prueba. Ambas funciones se $C^\infty$, y tenemos $$ h"(x) - f"(x) = \frac{-8}{x(1-x)} \left(x^2-x+\frac{1}{8\ln 2}\right) $$ que cancela en$x_0 \stackrel{\rm def}{=} \frac{1-\sqrt{1-\frac{1}{2\ln 2}}}{2}\simeq 0.236$$x_1 = 1-x_0$.

Por lo tanto tenemos la siguiente, como $\lim_{0^+} (h''-f'') = \lim_{1^-} (h''-f'') = -\infty$: $$ \begin{array}{|c|ccc|} \hline x & 0 & &x_0 & \frac{1}{2} & x_1 && 1 \\ \hline h''-f'' & -\infty &-&0&+&0& - &-\infty\\ \hline \end{array} $$

Por otra parte, desde la $h'(x) - f'(x) = \frac{1}{\ln 2}\left(8\ln 2 \cdot x + \ln\frac{1-x}{x} - 4\ln 2 \right)$,$\lim_{0^+} (h'-f') = - \lim_{1^-} (h'-f') = \infty$$(h'-f')(\frac{1}{2})=0$. Desde $x_0 < \frac{1}{4}$$(h'-f')(\frac{1}{4}) = \frac{\ln\frac{3}{4}}{\ln 2} < 0$, sabemos que $(h'-f')(x_0) = -(h'-f')(x_1) < 0$.

$$ \begin{array}{|c|ccc|} \hline x & 0 & &x_0 && \frac{1}{2} && x_1 && 1 \\ \hline h''-f'' & -\infty &-&0&&+&&0& - &-\infty\\ \hline h'-f' & +\infty &\searrow&-&\nearrow& 0&\nearrow&+& \searrow &-\infty\\ \hline \end{array} $$ Esto a su vez implica que el $h'-f'$ tiene exactamente tres raíces, es decir,$r_0 < \frac{1}{2} < r_1$$r_1 = 1-r_0 \in (0,x_0)$.

$$ \begin{array}{|c|ccc|} \hline x & 0 & &r_0 && \frac{1}{2} && r_1 && 1 \\ \hline h'-f' &&+&0&-& 0&+&0& - &\\ \hline h-f &0&\nearrow&&\searrow& 0&\nearrow&& \searrow 0&\\ \hline \end{array} $$ Esto implica la afirmación, como $\lim_{0^+}(h-f) = (h-f)(1/2) = \lim_{1^-}(h-f) =0$: $h\geq f$ en $(0.1)$.


La reclamación. $f(x) \geq g(x)$ todos los $x\in(0,1)$.

Prueba. La escritura de la expresión y el masaje, obtenemos que para todos los $x\in (0,1)$ $$ f(x) - g(x) = \frac{x (2-x) (1-2 x)^2}{(1-x)^2}\geq 0.$$

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