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$\exists c>0$ tal que $ (z-x)\int_z^y{f(t)dt} - (y-z)\int_x^z{f(t)dt \geq c(z-x)(y-z)}$

Deje $f:[a,b] \to \mathbb{R}$ ser estrictamente una función creciente. Demostrar que, a $\forall x, y \in [a,b], x \leq y, \exists c > 0$ tal que $$ \displaystyle{(z-x)\int_z^y{f(t)dt} - (y-z)\int_x^z{f(t)dt \geq c(z-x)(y-z)}},$$ $ \forall z \in [x,y]. $

La desigualdad es equivalente a $ \displaystyle{\frac{\int_z^y{f(t)dt}}{y-z} - \frac{\int_x^z{f(t)dt}}{z-x} \geq c, \forall z \in [x,y]. }$

Mi suposición es que $\displaystyle{c = \inf_{z \in [x,y]} {\frac{\int_z^y{f(t)dt}}{y-z} - \frac{\int_x^z{f(t)dt}}{z-x}}}$, pero no sé cómo demostrar que este infimum no es $0$.

También he probado a utilizar las sumas de Riemann para los intervalos de $[x,z]$$[z,y]$, pero no he podido solucionar el problema.

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Martin R Puntos 7826

El deseado de la desigualdad $$ (z-x)\int_z^y f(t) \, dt - (y-z)\int_x^z f(t)\, dt \geq c(z-x)(y-z) $$ es trivialmente satisfecho por $z=x$ $z=y$ arbitrarias $c$ (ambos lados son iguales a cero). Por lo tanto, es suficiente para mostrar que la función $h: (x, y) \to \Bbb R$ se define como $$ h(z) = \frac{\int_z^y f(t) \, dt}{y-z} - \frac{\int_x^z f(t)dt \, }{z-x} $$ tiene una estrictamente positivo límite inferior.

Comentario: está claro (de la monotonía) que $$ \frac{\int_z^y f(t) \, dt}{y-z} \ge f(z) \ge \frac{\int_x^z f(t)dt \, }{z-x} $$ de modo que $h(z) \ge 0$. La idea de la siguiente prueba es la de dividir la integral en dos partes con el fin de obtener una mejor estimación de la diferencia.

Deje $z \in (x, y)$ y establezca $w = \frac{z+3y}{4}$. Entonces $$ \int_z^y f(t) \, dt = \int_z^w f(t) \, dt + \int_w^y f(t) \, dt \ge (w-z) f(z) + (y-w) f(w) \\ \Longrightarrow \frac{\int_z^y f(t) \, dt}{y-z} \ge \frac{w-z}{y-z}f(z) + \frac{y-w}{y-z}f(w) = \frac 34 f(z) + \frac 14 f(\frac{z+3y}{4}) \, . $$

De la misma manera (usando $v = \frac{3x+z}{4}$ como punto intermedio) se puede demostrar que $$ \frac{\int_x^z f(t)dt \, }{z-x} \le \frac 34 f(z) + \frac 14 f(\frac{3x+z}{4}) \, . $$

De ello se sigue que $$ h(z) \ge \frac 14 \left( f(\frac{z+3y}{4}) - f(\frac{3x+z}{4}) \right) \\ \ge \frac 14 \left( f(\frac{x+3y}{4}) - f(\frac{3x+y}{4}) \right) =: c > 0 $$ para todos los $z \in (x, y)$.


Enfoque alternativo: Con las sustituciones $t = (1-s)z + sy$ $t = (1-s)z + sx$ , respectivamente, obtenemos $$ (z-x)\int_z^y f(t) \, dt - (y-z)\int_x^z f(t)\, dt \\ = (z-x)(y-z) \int_0^1 \bigl( f((1-s)z+sy) - f((1-s)z + sx) \bigr) \, ds $$ y queda para la estimación de la integral en el lado derecho: $$ \int_0^1 \bigl( f((1-s)z+sy) - f((1-s)z + sx) \bigr) \, ds \\ \ge \int_{1/2}^1 \bigl( f((1-s)z+sy) - f((1-s)z + sx) \bigr) \, ds \\ \ge \int_{1/2}^1 \bigl( f((1-s)x+sy) - f((1-s)y + sx) \bigr) \, ds =: c \, . $$ $c$ es positivo, porque la última integrando es positivo y estrictamente creciente para $\frac 12 < s \le 1$.

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