三 さん 辺 へん の長 なが さを x, y, z とする三角形 さんかっけい の三 さん 例 れい
数学 すうがく における三角 さんかく 不等式 ふとうしき (さんかくふとうしき、英 えい : triangle inequality )は、任意 にんい の三角形 さんかっけい に対 たい してその任意 にんい の二 に 辺 へん の和 わ が残 のこ りの一 いち 辺 へん よりも大 おお きくなければならないことを述 の べるものである[1] 。なお、三角 さんかく 比 ひ を含 ふく む不等式 ふとうしき のことを三角 さんかく 不等式 ふとうしき (英 えい : trigonometric inequalities )と呼 よ ぶ場合 ばあい もあるので、どちらを指 さ しているかは注意 ちゅうい が必要 ひつよう である。
(退化 たいか した場合 ばあい も含 ふく めた)三角形 さんかっけい の三 さん 辺 へん が x , y , z で最大 さいだい 辺 あたり が z とすれば、三角 さんかく 不等式 ふとうしき は
z
≤
x
+
y
{\displaystyle z\leq x+y}
が成 な り立 た つことを主張 しゅちょう している[注釈 ちゅうしゃく 1] 。
等号 とうごう が成立 せいりつ するのは三角形 さんかっけい が面積 めんせき 0 に退化 たいか したときに限 かぎ る。ユークリッド幾何 きか 学 がく ほかいくつかの幾何 きか 学 がく において、三角 さんかく 不等式 ふとうしき は距離 きょり に関 かん する定理 ていり であって、ベクトルやベクトルの長 なが さ(ノルム )を用 もち いて
‖
x
+
y
‖
≤
‖
x
‖
+
‖
y
‖
{\displaystyle \|\mathbf {x} +\mathbf {y} \|\leq \|\mathbf {x} \|+\|\mathbf {y} \|}
と書 か くことができる。ここで、第 だい 三 さん 辺 へん の長 なが さ z がベクトルの和 わ x + y で置 お き換 か わっていることに注意 ちゅうい 。x, y が実数 じっすう のとき、それを ℝ1 のベクトルと見 み れば、三角 さんかく 不等式 ふとうしき は絶対 ぜったい 値 ち の間 あいだ の関係 かんけい を記述 きじゅつ するものとなる。
ユークリッド幾何 きか 学 がく において、直角 ちょっかく 三角形 さんかっけい に対 たい する三角 さんかく 不等式 ふとうしき は三 さん 平方 へいほう の定理 ていり の帰結 きけつ であり、一般 いっぱん の三角形 さんかっけい の場合 ばあい は余弦 よげん 定理 ていり の帰結 きけつ である(もちろんそれらの定理 ていり によらない証明 しょうめい は可能 かのう であるけれども)。三角 さんかく 不等式 ふとうしき は ℝ2 や ℝ3 の何 いず れかにおいて直観 ちょっかん 的 てき に見 み ることができる。右 みぎ 図 ず は明 あき らかに不等号 ふとうごう が成 な り立 た つもの (上 うえ ) から等号 とうごう に近 ちか いもの (下 した ) までの三 さん 例 れい である。ユークリッド幾何 きか 学 がく の場合 ばあい では、等号 とうごう が成立 せいりつ するには一 ひと つの角 かく が 180° で二 ふた つの角 かく が 0° の場合 ばあい 、したがって三 さん 頂点 ちょうてん が同 どう 一直線 いっちょくせん 上 じょう にある場合 ばあい に限 かぎ られる。したがって、ユークリッド幾何 きか 学 がく において二 に 点 てん 間 あいだ の最短 さいたん 距離 きょり は直線 ちょくせん である。
球面 きゅうめん 幾何 きか 学 がく において二 に 点 てん 間 あいだ の最短 さいたん 距離 きょり は大円 だいえん 弧 こ であるが、球面 きゅうめん 上 じょう の二 に 点 てん 間 あいだ の距離 きょり がその二 に 点 てん を結 むす ぶ劣 れつ 弧線 こせん 分 ぶん (大円 だいえん の中 なか でその二 に 点 てん を端点 たんてん とする二 ふた つの弧 こ のうち中心 ちゅうしん 角 かく が [0, π ぱい ) のもの)で与 あた えられるものとすれば、三角 さんかく 不等式 ふとうしき が成 な り立 た つ。
三角 さんかく 不等式 ふとうしき はノルム や距離 きょり 函数 かんすう の「定義 ていぎ 性質 せいしつ 」の一 ひと つである。そのような性質 せいしつ は、各々 おのおの 特定 とくてい の空間 くうかん (実数 じっすう 直線 ちょくせん やユークリッド空間 くうかん や (p ≥ 1 に対 たい する) Lp -空間 くうかん や内積 ないせき 空間 くうかん )に対 たい して、そのようなノルムや距離 きょり 函数 かんすう となるべき任意 にんい の函数 かんすう に対 たい する定理 ていり として、きちんと述 の べなければならない。
ユークリッド幾何 きか 学 がく の場合 ばあい [ 編集 へんしゅう ]
ユークリッドの平面 へいめん 幾何 きか における三角 さんかく 不等式 ふとうしき の証明 しょうめい の構成 こうせい
ユークリッドは平面 へいめん 幾何 きか における三角 さんかく 不等式 ふとうしき を図 ず のような構成 こうせい を用 もち いて証明 しょうめい した: 三角形 さんかっけい ABC に対 たい して、一 いち 辺 へん BC を共有 きょうゆう する二等辺三角形 にとうへんさんかっけい をもう一 ひと つの等辺 とうへん BD の足 あし が辺 あたり AB の延長 えんちょう 上 じょう にあるように作 つく る。すると角 かく について β べーた > α あるふぁ が言 い えるから、さらに辺 あたり について AD > AC も言 い える。しかし AD = AB + BD = AB + BC なのだから、辺 あたり の和 わ について AB + BC > AC となる、ということがユークリッドの『原論 げんろん 』 I 巻 まき の命題 めいだい 20 に書 か かれている[6] 。
折線 おれせん 不等式 ふとうしき [ 編集 へんしゅう ]
三角 さんかく 不等式 ふとうしき は数学 すうがく 的 てき 帰納 きのう 法 ほう により、任意 にんい の折線 おれせん に関 かん する命題 めいだい に拡張 かくちょう することができる。すなわち、そのような折線 おれせん の全 すべ ての辺 あたり の長 なが さの和 わ は、その折線 おれせん の二 に 端点 たんてん を直線 ちょくせん で結 むす んだ長 なが さよりも小 ちい さくなることはない。特 とく にその帰結 きけつ として、多角 たかく 形 がた のどんな長 なが さの辺 あたり も残 のこ り全 すべ ての辺 あたり の長 なが さの和 わ より必 かなら ず小 ちい さいことが言 い える。
曲線 きょくせん の弧 こ 長 ちょう は折線 おれせん 近似 きんじ の長 なが さの上限 じょうげん として定義 ていぎ される。
このように折線 おれせん に対 たい して一般 いっぱん 化 か すれば、ユークリッド幾何 きか において二 に 点 てん 間 あいだ を結 むす ぶ最短 さいたん 曲線 きょくせん が直線 ちょくせん であることが示 しめ せる。
二 に 点 てん 間 あいだ を結 むす ぶ折線 おれせん がその二 に 点 てん 間 あいだ を結 むす ぶ線分 せんぶん よりも短 みじか くならないことから、曲線 きょくせん の弧 こ 長 ちょう がその曲線 きょくせん の両 りょう 端点 たんてん の間 あいだ の距離 きょり より短 みじか くなることはないことが従 したが う。実際 じっさい 、定義 ていぎ により曲線 きょくせん の弧 こ 長 ちょう はそれを近似 きんじ する折線 おれせん の長 なが さの上限 じょうげん で、折線 おれせん に対 たい する結果 けっか は端点 たんてん 間 あいだ を結 むす ぶ線分 せんぶん が全 すべ ての折線 おれせん 近似 きんじ の中 なか で最短 さいたん ということであった。曲線 きょくせん の弧 こ 長 ちょう は任意 にんい の折線 おれせん 近似 きんじ の長 なが さ以上 いじょう であるから、曲線 きょくせん それ自身 じしん が直線 ちょくせん 経路 けいろ より短 みじか くなることはない。
高次 こうじ 元 もと 単体 たんたい 不等式 ふとうしき [ 編集 へんしゅう ]
三角 さんかく 不等式 ふとうしき をより高 こう 次元 じげん に一般 いっぱん 化 か してものとして、ユークリッド空間 くうかん 内 ない の n -次元 じげん 単体 たんたい の n − 1 次元 じげん ファセット の超 ちょう 体積 たいせき は、それ以外 いがい の n 個 こ のファセットの超 ちょう 体積 たいせき の和 わ 以下 いか である。特 とく に、四 よん 面体 めんてい の一 ひと つの三角形 さんかっけい 面 めん の面積 めんせき は、ほかの三面 さんめん の面積 めんせき の和 わ 以下 いか になる。
ノルム線型 せんけい 空間 くうかん の場合 ばあい [ 編集 へんしゅう ]
ベクトルのノルムに対 たい する三角 さんかく 不等式 ふとうしき
ノルム空間 くうかん V に対 たい して、ノルム を定義 ていぎ する性質 せいしつ の一 ひと つが三角 さんかく 不等式 ふとうしき
‖
x
+
y
‖
≤
‖
x
‖
+
‖
y
‖
(
∀
x
,
y
∈
V
)
{\displaystyle \|x+y\|\leq \|x\|+\|y\|\quad (\forall \,x,y\in V)}
である。つまり、二 ふた つのベクトルの和 わ (英語 えいご 版 ばん ) のノルムは、その二 ふた つのベクトルそれぞれの長 なが さの和 わ で抑 おさ えられる。これを劣 れつ 加法 かほう 性 せい と呼 よ ぶこともある。ノルムとして振 ふ る舞 ま うことが期待 きたい される任意 にんい の函数 かんすう はこの要件 ようけん を満足 まんぞく しなければならない
ノルム空間 くうかん がユークリッド空間 くうかん あるいはより一般 いっぱん の狭義 きょうぎ 凸 とつ 空間 くうかん ならば、‖ x + y ‖ = ‖ x ‖ + ‖ y ‖ となるための必要 ひつよう 十 じゅう 分 ふん 条件 じょうけん は、三 さん 点 てん x , y , x + y の成 な す三角形 さんかっけい が退化 たいか していること、すなわち x, y が同 どう 一半 いっぱん 直線 ちょくせん 上 じょう にあることである。式 しき で書 か けば、x = 0 または y = 0 または x = α あるふぁ y (∃α あるふぁ > 0 となる。この性質 せいしつ は狭義 きょうぎ 凸 とつ ノルム空間 くうかん (例 たと えば ℓp -空間 くうかん (1 < p < ∞ ) など)を特徴付 とくちょうづ ける。しかしこれが成立 せいりつ しないノルム空間 くうかん も存在 そんざい する[注釈 ちゅうしゃく 2] 。
距離 きょり 空間 くうかん の場合 ばあい [ 編集 へんしゅう ]
距離 きょり 空間 くうかん M の距離 きょり 函数 かんすう を d とすれば、三角 さんかく 不等式 ふとうしき
d
(
x
,
z
)
≤
d
(
x
,
y
)
+
d
(
y
,
z
)
(
∀
x
,
y
,
z
∈
M
)
{\displaystyle d(x,z)\leq d(x,y)+d(y,z)\quad (\forall x,y,z\in M)}
は距離 きょり 函数 かんすう の定義 ていぎ 要件 ようけん の一 ひと つである。つまり、x から z までの距離 きょり は、x から y への距離 きょり とy から z までの距離 きょり の和 わ で上 うえ から押 お さえられる。
三角 さんかく 不等式 ふとうしき は距離 きょり 空間 くうかん 上 じょう の興味 きょうみ の大半 たいはん を占 し める収束 しゅうそく 性 せい に関 かか わっている。これは距離 きょり 函数 かんすう の残 のこ りの要件 ようけん が比較的 ひかくてき 単純 たんじゅん なことによる。例 たと えば距離 きょり 空間 くうかん における任意 にんい の収束 しゅうそく 列 れつ がコーシー列 れつ であるという事実 じじつ は三角 さんかく 不等式 ふとうしき からの直接 ちょくせつ の帰結 きけつ である。なんとなれば xn および xm を(距離 きょり 空間 くうかん における収束 しゅうそく の定義 ていぎ にある通 とお りの)任意 にんい の ε いぷしろん > 0 に対 たい して d (xn , x ) < ε いぷしろん /2 および d (xm , x ) < ε いぷしろん /2 なるようにとれば、三角 さんかく 不等式 ふとうしき により d (xn , xm ) ≤ d (xn , x ) + d (xm , x ) < ε いぷしろん /2 + ε いぷしろん /2 = ε いぷしろん となり、点 てん 列 れつ {xn } は定義 ていぎ によりコーシー列 れつ である。
ノルム空間 くうかん を、ノルムの誘導 ゆうどう する距離 きょり 函数 かんすう d (x , y ) ≔ ‖ x − y ‖ のもとで距離 きょり 空間 くうかん とみて、x − y は始点 してん y から終点 しゅうてん x へ結 むす んだベクトルと解釈 かいしゃく するとき、この空間 くうかん の距離 きょり 空間 くうかん としての三角 さんかく 不等式 ふとうしき は、前節 ぜんせつ で述 の べたノルム空間 くうかん の場合 ばあい の三角 さんかく 不等式 ふとうしき に帰着 きちゃく される。
逆 ぎゃく 三角 さんかく 不等式 ふとうしき [ 編集 へんしゅう ]
三角 さんかく 不等式 ふとうしき が上 うえ からの評価 ひょうか であるのに対 たい し、下 した からの評価 ひょうか を与 あた える逆 ぎゃく 向 む きの三角 さんかく 不等式 ふとうしき (reverse triangle inequality ) は三角 さんかく 不等式 ふとうしき からの初等 しょとう 的 てき な帰結 きけつ として得 え られる。それは平面 へいめん 幾何 きか の言葉 ことば で言 い えば「三角形 さんかっけい の任意 にんい の辺 あたり は、その他 た の二 に 辺 へん の差 さ よりも大 おお きい」ということができる。ノルム空間 くうかん の場合 ばあい には
|
‖
x
‖
−
‖
y
‖
|
≤
‖
x
−
y
‖
,
{\displaystyle {\Bigl |}\|x\|-\|y\|{\Bigr |}\leq \|x-y\|,}
あるいは距離 きょり 空間 くうかん の場合 ばあい には |d (y , x ) − d (x , z )| ≤ d (y , z ) ということになる。これはノルム ‖ • ‖ や距離 きょり 函数 かんすう d (x , •) がリプシッツ定数 ていすう 1 のリプシッツ連続 れんぞく 函数 かんすう となることを示 しめ すもので、したがって特 とく に一様 いちよう 連続 れんぞく である。
逆 ぎゃく 三角 さんかく 不等式 ふとうしき は通常 つうじょう の三角 さんかく 不等式 ふとうしき を用 もち いて証明 しょうめい できる:
‖
x
‖
=
‖
(
x
−
y
)
+
y
‖
≤
‖
x
−
y
‖
+
‖
y
‖
⟹
‖
x
‖
−
‖
y
‖
≤
‖
x
−
y
‖
,
{\displaystyle \|x\|=\|(x-y)+y\|\leq \|x-y\|+\|y\|\implies \|x\|-\|y\|\leq \|x-y\|,}
‖
y
‖
=
‖
(
y
−
x
)
+
x
‖
≤
‖
y
−
x
‖
+
‖
x
‖
⟹
‖
x
‖
−
‖
y
‖
≥
−
‖
x
−
y
‖
{\displaystyle \|y\|=\|(y-x)+x\|\leq \|y-x\|+\|x\|\implies \|x\|-\|y\|\geq -\|x-y\|}
に注意 ちゅうい すれば
−
‖
x
−
y
‖
≤
‖
x
‖
−
‖
y
‖
≤
‖
x
−
y
‖
⟹
|
‖
x
‖
−
‖
y
‖
|
≤
‖
x
−
y
‖
.
{\displaystyle -\|x-y\|\leq \|x\|-\|y\|\leq \|x-y\|\implies {\bigl |}\,\|x\|-\|y\|\,{\bigr |}\leq \|x-y\|.}
ミンコフスキー空間 くうかん における不等号 ふとうごう の反転 はんてん [ 編集 へんしゅう ]
ミンコフスキー空間 くうかん において x, y がともに未 み 来光 らいこう 錐 きり 内 ない にある時間 じかん 的 てき ベクトルならば、三角 さんかく 不等式 ふとうしき は逆 ぎゃく 向 む きの評価 ひょうか
‖
x
+
y
‖
≥
‖
x
‖
+
‖
y
‖
{\displaystyle \|x+y\|\geq \|x\|+\|y\|}
になる。この不等式 ふとうしき の物理 ぶつり 学 がく 的 てき 例 れい が特殊 とくしゅ 相対 そうたい 論 ろん における双子 ふたご のパラドックス である。二 ふた つのベクトルがともに過去 かこ 光 ひかり 錐 きり 内 ない にある場合 ばあい や、少 すく なくとも一方 いっぽう がヌルベクトル である場合 ばあい にも、同 おな じくこの逆 ぎゃく 向 む きの不等号 ふとうごう を持 も つ三角 さんかく 不等式 ふとうしき が成 な り立 た つ。この結果 けっか は、任意 にんい の自然 しぜん 数 すう n に対 たい する n + 1 次元 じげん において成立 せいりつ する。
x, y がともに空間 くうかん 的 てき ベクトルの場合 ばあい は、通常 つうじょう 通 どお りの三角 さんかく 不等式 ふとうしき が満足 まんぞく される。
^ z が最大 さいだい 辺 あたり でないときはむしろ明 あき らか: z ≤ max(x , y ) < x + y .
^ 例 たと えば、平面 へいめん に ℓ 1 -ノルム(つまりマンハッタン距離 きょり )を入 い れて、
x = (1, 0) および y = (0, 1) を取 と れば、三 さん 点 てん x , y , x + y の成 な す三角形 さんかっけい は非 ひ 退化 たいか だが ‖ x + y ‖ = 2 = ‖ x ‖ + ‖ y ‖ を満 み たす。
Khamsi, Mohamed A.; Kirk, William A. (2001). An introduction to metric spaces and fixed point theory . Wiley-IEEE. ISBN 0-471-41825-0 . https://books.google.co.jp/books?id=4qXbEpAK5eUC
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Stillwell, John (1997). Numbers and Geometry . Springer. ISBN 978-0-387-98289-2 . https://books.google.co.jp/books?id=4elkHwVS0eUC
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Kress, Rainer (1988). Numerical analysis . Springer. ISBN 0-387-98408-9 . https://books.google.co.jp/books?id=e7ZmHRIxum0C