Una desigualdad que involucra dos números complejos

Dejar z 1 , z 2 C y a , b R { 0 } . Pruebalo

| z 1 | 2 + | z 2 | 2 | z 1 2 + z 2 2 | 2 | a z 1 + b z 2 | 2 a 2 + b 2 | z 1 | 2 + | z 2 | 2 + | z 1 2 + z 2 2 |


Intento de solución: Dejar z = a + i b . Entonces, 2 | a z 1 + b z 2 | 2 a 2 + b 2 se puede simplificar en lo siguiente

2 | a z 1 + b z 2 | 2 a 2 + b 2 2 | ( z + z ¯ 2 ) z 1 + ( z z ¯ 2 i ) z 2 z | 2 | ( z ( z 1 + i z 2 ) ) | 2 | z | 2

Traté de sustituir z = a + i b ; z 1 = X 1 + i y 1 ; z 2 = X 2 + i y 2 pero simplemente se convirtió en un lío que creo que no puedo reorganizar para que sea algo útil para probar la desigualdad. Si es posible, proporcione también el significado geométrico de esta desigualdad.

Dejar z r = X r + i y r para r = 1 , 2
2 | a z 1 + b z 2 | 2 ( a 2 + b 2 ) ( | z 1 | 2 + | z 2 | 2 ) =
= ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 { ( a X 2 b X 1 ) + ( a y 2 b y 1 ) 2 }
| z 1 2 + z 2 2 | = ( a 1 2 X 1 2 b 1 2 y 1 2 + a 2 2 X 2 2 b 2 2 y 2 2 ) 2 + ( 2 a 1 b 1 X 1 y 1 + 2 a 2 b 2 X 2 y 2 ) 2

Respuestas (1)

Dejar z 1 = X 1 + i y 1 , z 2 = X 2 + i y 2 dónde X 1 , y 1 , X 2 , y 2 R .

Entonces,

| z 1 | 2 + | z 2 | 2 | z 1 2 + z 2 2 | 2 | a z 1 + b z 2 | 2 a 2 + b 2 | z 1 | 2 + | z 2 | 2 + | z 1 2 + z 2 2 |
es equivalente a
X 1 2 + y 1 2 + X 2 2 + y 2 2 ( X 1 2 y 1 2 + X 2 2 y 2 2 ) 2 + ( 2 X 1 y 1 + 2 X 2 y 2 ) 2 2 ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 a 2 + b 2 X 1 2 + y 1 2 + X 2 2 + y 2 2 + ( X 1 2 y 1 2 + X 2 2 y 2 2 ) 2 + ( 2 X 1 y 1 + 2 X 2 y 2 ) 2
Entonces, es suficiente demostrar que
( X 1 2 y 1 2 + X 2 2 y 2 2 ) 2 + ( 2 X 1 y 1 + 2 X 2 y 2 ) 2 | X 1 2 + y 1 2 + X 2 2 + y 2 2 2 ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 a 2 + b 2 |

Cuadrando ambos lados,

( X 1 2 y 1 2 + X 2 2 y 2 2 ) 2 + ( 2 X 1 y 1 + 2 X 2 y 2 ) 2 ( X 1 2 + y 1 2 + X 2 2 + y 2 2 2 ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 a 2 + b 2 ) 2
que es equivalente a
( X 1 2 y 1 2 + X 2 2 y 2 2 ) 2 + ( 2 X 1 y 1 + 2 X 2 y 2 ) 2 ( X 1 2 + y 1 2 + X 2 2 + y 2 2 ) 2 4 ( X 1 2 + y 1 2 + X 2 2 + y 2 2 ) ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 a 2 + b 2 + 4 ( ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 a 2 + b 2 ) 2
que es equivalente a
( X 1 y 2 y 1 X 2 ) 2 ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 a 2 + b 2 ( a X 2 b X 1 ) 2 ( a y 2 b y 1 ) 2 a 2 + b 2
Multiplicando ambos lados por ( a 2 + b 2 ) 2 ,
( a 2 + b 2 ) 2 ( X 1 y 2 y 1 X 2 ) 2 ( ( a X 1 + b X 2 ) 2 + ( a y 1 + b y 2 ) 2 ) ( ( a y 2 b y 1 ) 2 + ( b X 1 a X 2 ) 2 )
Ahora, esta desigualdad se cumple por la desigualdad de Cauchy-Schwarz.