三角さんかく不等式ふとうしき

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さんへんながさを x, y, z とする三角形さんかっけいさんれい

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、えい: triangle inequality)は、任意にんい三角形さんかっけいたいしてその任意にんいへんのこりのいちへんよりもおおきくなければならないことをべるものである[1][2]。なお、三角さんかくふく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えい: trigonometric inequalities)と場合ばあいもあるので、どちらをしているかは注意ちゅうい必要ひつようである。

概要がいよう[編集へんしゅう]

退化たいかした場合ばあいふくめた)三角形さんかっけいさんへんx, y, z最大さいだいあたりz とすれば、三角さんかく不等式ふとうしき

つことを主張しゅちょうしている[注釈ちゅうしゃく 1]

等号とうごう成立せいりつするのは三角形さんかっけい面積めんせき 0退化たいかしたときにかぎる。ユークリッド幾何きかがくほかいくつかの幾何きかがくにおいて、三角さんかく不等式ふとうしき距離きょりかんする定理ていりであって、ベクトルやベクトルのながさ(ノルム)をもちいて

くことができる。ここで、だいさんへんながz がベクトルの x + yわっていることに注意ちゅういx, y実数じっすうのとき、それを 1 のベクトルとれば、三角さんかく不等式ふとうしき絶対ぜったいあいだ関係かんけい記述きじゅつするものとなる。

ユークリッド幾何きかがくにおいて、直角ちょっかく三角形さんかっけいたいする三角さんかく不等式ふとうしきさん平方へいほう定理ていり帰結きけつであり、一般いっぱん三角形さんかっけい場合ばあい余弦よげん定理ていり帰結きけつである(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23いずれかにおいて直観ちょっかんてきることができる。みぎあきらかに不等号ふとうごうつもの (うえ) から等号とうごうちかいもの (した) までのさんれいである。ユークリッド幾何きかがく場合ばあいでは、等号とうごう成立せいりつするにはひとつのかく180°ふたつのかく場合ばあい、したがってさん頂点ちょうてんどう一直線いっちょくせんじょうにある場合ばあいかぎられる。したがって、ユークリッド幾何きかがくにおいててんあいだ最短さいたん距離きょり直線ちょくせんである。

球面きゅうめん幾何きかがくにおいててんあいだ最短さいたん距離きょり大円だいえんであるが、球面きゅうめんじょうてんあいだ距離きょりがそのてんむすれつ弧線こせんぶん大円だいえんなかでそのてん端点たんてんとするふたつののうち中心ちゅうしんかく[0, πぱい) のもの)で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[3][4]

三角さんかく不等式ふとうしきノルム距離きょり函数かんすうの「定義ていぎ性質せいしつ」のひとつである。そのような性質せいしつは、各々おのおの特定とくてい空間くうかん実数じっすう直線ちょくせんユークリッド空間くうかんや (p ≥ 1たいする) Lp-空間くうかん内積ないせき空間くうかん)にたいして、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函数かんすうたいする定理ていりとして、きちんとべなければならない。

ユークリッド幾何きかがく場合ばあい[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証明しょうめい構成こうせい

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のような構成こうせいもちいて証明しょうめいした[5]: 三角形さんかっけい ABCたいして、いちへん BC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ひとつの等辺とうへん BDあしあたり AB延長えんちょうじょうにあるようにつくる。するとかくについて βべーた > αあるふぁえるから、さらにあたりについて AD > ACえる。しかし AD = AB + BD = AB + BC なのだから、あたりについて 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 まき命題めいだい 20 にかれている[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数学すうがくてき帰納きのうほうにより、任意にんい折線おれせんかんする命題めいだい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すべてのあたりながさのは、その折線おれせん端点たんてん直線ちょくせんむすんだながさよりもちいさくなることはない。とくにその帰結きけつとして、多角たかくがたのどんなながさのあたりのこすべてのあたりながさのよりかならちいさいことがえる。

曲線きょくせんちょう折線おれせん近似きんじ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たいして一般いっぱんすれば、ユークリッド幾何きかにおいててんあいだむす最短さいたん曲線きょくせん直線ちょくせんであることがしめせる。

てんあいだむす折線おれせんがそのてんあいだむす線分せんぶんよりもみじかくならないことから、曲線きょくせんちょうがその曲線きょくせんりょう端点たんてんあいだ距離きょりよりみじかくなることはないことがしたがう。実際じっさい定義ていぎにより曲線きょくせんちょうはそれを近似きんじする折線おれせんながさの上限じょうげんで、折線おれせんたいする結果けっか端点たんてんあいだむす線分せんぶんすべての折線おれせん近似きんじなか最短さいたんということであった。曲線きょくせんちょう任意にんい折線おれせん近似きんじなが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直線ちょくせん経路けいろよりみじかくなることはない[7]

高次こうじ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こう次元じげん一般いっぱんしてものとして、ユークリッド空間くうかんないn-次元じげん単体たんたいn − 1 次元じげんファセットちょう体積たいせきは、それ以外いがいn のファセットのちょう体積たいせき以下いかである。とくに、よん面体めんていひとつの三角形さんかっけいめん面積めんせきは、ほかの三面さんめん面積めんせき以下いかになる。

ノルム線型せんけい空間くうかん場合ばあい[編集へんしゅう]

ベクトルのノルムに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たいして、ノルム定義ていぎする性質せいしつひとつが三角さんかく不等式ふとうしき

である。つまり、ふたつのベクトルの英語えいごばんのノルムは、そのふたつのベクトルそれぞれのながさのおさえられる。これをれつ加法かほうせいぶこともある。ノルムとしてうことが期待きたいされる任意にんい函数かんすうはこの要件ようけん満足まんぞくしなければならない[8]

ノルム空間くうかんユークリッド空間くうかんあるいはより一般いっぱん狭義きょうぎ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じゅうふん条件じょうけんは、さんてん x, y, x + y三角形さんかっけい退化たいかしていること、すなわち x, yどう一半いっぱん直線ちょくせんじょうにあることである。しきけば、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。この性質せいしつ狭義きょうぎとつノルム空間くうかんたとえば p-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場合ばあい[編集へんしゅう]

距離きょり空間くうかん M距離きょり函数かんすうd とすれば、三角さんかく不等式ふとうしき

距離きょり函数かんすう定義ていぎ要件ようけんひとつである。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y から z までの距離きょりうえからさえられる。

三角さんかく不等式ふとうしき距離きょり空間くうかんじょう興味きょうみ大半たいはんめる収束しゅうそくせいかかわっている。これは距離きょり函数かんすうのこりの要件ようけん比較的ひかくてき単純たんじゅんなことによる。たとえば距離きょり空間くうかんにおける任意にんい収束しゅうそくれつコーシーれつであるという事実じじつ三角さんかく不等式ふとうしきからの直接ちょくせつ帰結きけつである。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定義ていぎにあるとおりの)任意にんいεいぷしろん > 0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、てんれつ {xn}定義ていぎによりコーシーれつである。

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) ≔ ‖ xy ‖ のもとで距離きょり空間くうかんとみて、xy始点してん y から終点しゅうてん x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、前節ぜんせつべたノルム空間くうかん場合ばあい三角さんかく不等式ふとうしき帰着きちゃくされる。

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うえからの評価ひょうかであるのにたいし、したからの評価ひょうかあたえるぎゃく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てき帰結きけつとしてられる。それは平面へいめん幾何きか言葉ことばえば「三角形さんかっけい任意にんいあたりは、そのへんよりもおおきい」[9]ということができる。ノルム空間くうかん場合ばあいには

あるいは距離きょり空間くうかん場合ばあいには |d(y, x) − d(x, z)| ≤ d(y, z) ということになる。これはノルム ‖ • ‖距離きょり函数かんすう d(x, •)リプシッツ定数ていすう 1リプシッツ連続れんぞく函数かんすうとなることをしめすもので、したがってとく一様いちよう連続れんぞくである。

ぎゃく三角さんかく不等式ふとうしき通常つうじょう三角さんかく不等式ふとうしきもちいて証明しょうめいできる:

注意ちゅういすれば

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 がともに来光らいこうきりないにある時間じかんてきベクトルならば、三角さんかく不等式ふとうしきぎゃくきの評価ひょうか

になる。この不等式ふとうしき物理ぶつりがくてきれい特殊とくしゅ相対そうたいろんにおける双子ふたごのパラドックスである。ふたつのベクトルがともに過去かこひかりきりないにある場合ばあいや、すくなくとも一方いっぽうヌルベクトルである場合ばあいにも、おなじくこのぎゃくきの不等号ふとうごう三角さんかく不等式ふとうしきつ。この結果けっかは、任意にんい自然しぜんすう n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てきベクトルの場合ばあいは、通常つうじょうどおりの三角さんかく不等式ふとうしき満足まんぞくされる。

関連かんれん項目こうもく[編集へんしゅう]

ちゅう[編集へんしゅう]

注釈ちゅうしゃく[編集へんしゅう]

  1. ^ z最大さいだいあたりでないときはむしろあきらか: z ≤ max(x, y) < x + y.
  2. ^ たとえば、平面へいめん1-ノルム(つまりマンハッタン距離きょり)をれて、 x = (1, 0) および y = (0, 1)れば、さんてん x, y, x + y三角形さんかっけい退化たいかだが ‖ x + y ‖ = 2 = ‖ x ‖ + ‖ y ‖たす。

出典しゅってん[編集へんしゅう]

  1. ^ Weisstein, Eric W. "Triangle Inequality". mathworld.wolfram.com (英語えいご).
  2. ^ Khamsi & Kirk 2001, p. 8, §1.4 The triangle inequality in n.
  3. ^ Brock, Trinkle & Ramos 2009, p. 195.
  4. ^ Ramsay & Richtmyer 1995, p. 17.
  5. ^ Jacobs 2003, p. 201.
  6. ^ David E. Joyce (1997ねん). “Euclid's elements, Book 1, Proposition 20”. Dept. Math and Computer Science, Clark University. 2010ねん6がつ25にち閲覧えつらん
  7. ^ Stillwell 1997, p. 95.
  8. ^ Kress 1988, p. 26, §3.1: Normed spaces.
  9. ^ anon. 1854, p. 196, Exercise I. to proposition XIX—"Any side of a triangle is greater than the difference between the other two sides"

参考さんこう文献ぶんけん[編集へんしゅう]

関連かんれん文献ぶんけん[編集へんしゅう]

外部がいぶリンク[編集へんしゅう]