1981 年, 杨路, 张景中 [1] 两位教授率先将三角形中的 Pedoe 不等式推广到 n 维欧氏空间的单形后, 涉及两个单形的不等式的研究备受关注 [2- 4], 但联系多个单形的几何关系的文献并不多见. 最近, 笔者在文献 [5] 中, 给出了涉及一个单形的棱长与另一个单形的内点, 高,n - 1 维侧面的体积, 外接超球半径的几个不等式. 本文中, 我们用距离几何的理论和方法,结合杨 - 张不等式的推广式 [6], 建立了涉及四个单形的一类不等式. 即两个单形的棱长与另两个单形的内点, 中线, 高, 外接超球半径, 内切超球半径, 旁切超球半径以及 n - 1 维侧面的体积, 外接超球半径, 内切超球半径的一类新的几何不等式. 特别地, 获得了联系三个单形以及两个单形的一些新的几何不等式, 推广了文献 [5] 中的所有结果. 最后, 提出了有待进一步讨论的一个猜想.
全文约定: 用 $\Omega_{k}=A_{k1}A_{k2}\cdots A_{kn+1}$ $(k=1,2,3,4)$ 表示 $n$ 维欧氏空间 $R^{n}$ 中的四个 $n$ 维单形, 其棱长为 $\left\vert A_{ki} A_{kj}\right\vert =\rho_{kij}$ $(k=1,2,3,4;$ $1\leq i<j\leq n+1),$ 其体积, 外接超球半径, 内切超球半径分别为 $ V_{k},R_{k},r_{k}$ $\ (k=1,2,3,4),$ 顶点 $A_{ki}$ 所对的侧面 $f_{ki}=\Omega{ A_{ki}} $ 的旁切超球半径为 $r_{ki}^{\prime},$ 侧面 $ f_{ki}$ 的 $n-1$ 维体积为 $S_{ki},$ 侧面 $f_{ki}$ 上的高为 $h_{ki},$ 侧面 $f_{ki}$ 上的中线长为 $l_{ki},$ 侧面 $f_{ki}$ 的外接超球半径为 $R_{ki},$ 内切超球半径为 $r_{ki},$ $\Omega_{k}$ 内任意一点 $P_{k}$ 到该面的距离为 $ d_{ki} (k=1,2,3,4;$ $i=1,2,3,\cdots,n+1).$ 对一个 $n$ 维单形 $\Omega=A_{1} A_{2}\cdots A_{n+1},$ 设其体积, 外接超球半径, 内切超球半径分别为 $V,R,r$, 顶点 $A_{i}$ 所对的侧面 $f_{i}=\Omega{ A_{i}} $ 的旁切超球半径为 $r^{\prime}$, 侧面 $\ f_{i}$ 的 $n-1$ 维体积为 $S_{i},$ 侧面 $f_{i}$ 上的高为 $h_{i},$ 侧面 $ f_{i}$ 上的中线长为 $l_{i},$ 侧面 $f_{i}$ 的外接超球半径为 $R_{i}$, 侧面 $f_{i}$ 的内切超球半径为 $r_{i},$ $\Omega$ 内任意一点 $P$ 到该面的距离为 $d_{i} (i=1,2,\cdots ,n+1).$
引理 2.1[6]用 $\Phi=\left\{ A_{i} (m_{i}),i=1,2,\cdots,N\right\} $ 和 $\Phi^{\prime}=\left\{ A_{i}^{\prime }(m_{i}^{\prime}),i=1,2,\cdots,N\right\} $ $(N>n)$ 分别表示 $n$ 维欧式空间 $R^{n}$ 中具有相同质点数量的, 并且是完全同向的两个质点组, $m_{i} >0,m_{i}^{\prime}>0$ 是点 $A_{i}$ 与 $A_{i}^{\prime}$ 所赋有的质量, 分别取 $\Phi$ 和 $\Phi^{\prime}$ 的 $k+1$ 个点 $A_{i_{0}},A_{i_{1}} ,\cdots,A_{i_{k}}$ 和 $A_{i_{0}}^{\prime},A_{i_{1}}^{\prime},\cdots,A_{i_{k} }^{\prime}$ 所支撑的单形的 $k$ 维有向体积记为 $\ V_{i_{0}i_{1}\cdots i_{k}}$ 和 $V_{i_{1}i_{2}\cdots i_{k}}^{\prime}$.
令
则有不等式
当且仅当 $\Phi$ 与 $\Phi^{\prime}$ 的广义惯量椭球为球时, (2.1) 式取等号.
引理 2.2[ 7]在$n$ 维单形 $\Omega$ 中, 有
当且仅当 $\Omega$ 为正则单形时, (2.2) 式取等号.
引理 2.3[8]在 $n$ 维单形 $\Omega$ 中$,$ 有
当且仅当 $\Omega$ 为正则单形时, 以上两式取等号.
引理 2.4[9]在 $n$ 维单形 $\Omega$ 中$,$ 有
且仅当 $\Omega$ 为正则单形时, (2.5) 式取等号.
引理 2.5 [10]在 $n$ 维单形 $\Omega$ 中, 对 $0<\theta\leq1,$ 有
当且仅当 $\Omega$ 为正则单形且 $P$ 为其中心时, 以上两式取等号.
定理 1 在 $n$ 维单形 $\Omega _{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 有
当且仅当 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 均为正则单形且 $P_{3}$ 与 $P_{4}$ 分别为 $\Omega_{3}$ 与 $\Omega_{4}$ 的中心时, (3.1) 式取等号.
证 在引理 2.1 中, 取 $l=n-1$, $k=1.$ 则有
当且仅当 $\Omega_{1},\Omega_{2}$ 均为正则单形且 $m_{1}=m_{2} =\cdots=m_{n+1},m_{1}^{\prime}=m_{2}^{\prime}=\cdots=m_{n+1}^{\prime}$ 时, (3.2) 式取等号.
在不等式 (3.2) 中, 令 $m_{i}=(1/d_{3i})^{2\alpha},m_{i}^{\prime} =(1/d_{4i})^{2\beta}$ $(i=1,2,\cdots,n+1),$ 并运用平均值不等式, 同时注意到 $\sum\limits_{i=1}^{n+1}S_{i}d_{i}=nV,$ 得
再将 (2.2) 式代入并整理, 可得
上式两边同开 $(n-1)$ 次方, 即得不等式 (3.1). 由证明过程可知, (3.1) 式取 等号的条件同定理 1 所述.
在定理 1 中, 取 $P_{3}$ 与 $P_{4}$ 分别为单形 $\Omega_{3}$ 与 $\Omega_{4}$ 的重心, 此时有 $d_{3i}=h_{3i}/(n+1),$ $d_{4i}=h_{4i}/(n+1)$ $(i=1,2,\cdots,n+1),$ 可得
推论 1 在 $n$ 维单形 $\ \Omega _{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 有
当且仅当 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 均为正则单形时, (3.3) 式取等号.
若注意到 $h_{3i}=nV_{3}/S_{3i},$ $h_{4i}=nV_{4}/S_{4i}$ $(i=1,2,\cdots,n+1).$ 由 (3.3) 式, 可得
推论 2 在 $n$ 维单形 $\Omega _{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 有
(3.4) 式取等号的条件同推论 1.
在定理 1 中, 取 $P$ 为单形 $\Omega$ 的外心 $O$, 则 $\left\vert OA_{i}\right\vert =R.$ 由于 $O$ 在各侧面 $f_{i}$ 上的射影是各侧面的外心 $O_{i}$ $(i=1,2,\cdots,n+1),$ 则
故
于是有
推论 3 在$n$ 维单形 $\Omega _{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 有
(3.5) 式取等号的条件同推论 1.
定理 2 在$n$ 维单形 $\Omega _{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 有
当且仅当 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 均为正则单形时, (3.6)-(3.9) 四式取等号.
证 对不等式 (3.2) 右边运用平均值不等式, 得
在 (3.10)式中, 令 $m_{i}=(1/S_{3i})^{2\alpha},m_{i}^{\prime}=(1/S_{4i} )^{2\alpha}$$(i=1,2,\cdots,n+1),$ 并注意到不等式 (2.2), (2.3) 两式即 可证得不等式 (3.6).
在不等式 (3.10) 中, 令 ${m_i} = r_{3i}^{2\alpha },$ $m_{i}^{\prime} =l_{4i}^{2\alpha}$ $(i=1,2,\cdots,n+1),$ 并注意到不等式 (2.2), (2.4) 两式 即可证得不等式 (3.7).
在不等式 (2.5)中, 运用平均值不等式, 得
在不等式 (3.10) 中, 令 $m_{i}=r_{3i}^{2\alpha},m_{i}^{\prime} =r_{4i}^{2\beta}$ $(i=1,2,\cdots,n+1),$ 由上式并注意到不等式 (2.2) 即可 证得不等式 (3.8).
对恒等式[8] $\sum\limits_{i=1}^{n+1}\dfrac{1}{r^{\prime}} =\dfrac{n-1}{r}.$ 运用平均值不等式, 得
在不等式 (3.10)中, 令 $m_{i}=r_{3i}^{\prime2\alpha},m_{i}^{\prime} =r_{4i}^{\prime2\beta}$ $(i=1,2,\cdots,n+1),$ 由上式和不等式 (2.2) 即可证 得不等式 (3.9). 且易知 (3.6)-(3.9) 四式取等号的条件为定理 2 所述. 定理 2 证毕.
定理 3 在$n$ 维单形 $\Omega _{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 有
(3.11), (3.12) 两式取等号的条件同定理 1.
证 我们仅证 (3.11) 式, 而 (3.12) 式类似证之.
在不等式 (2.6) 中, 取 $\theta=1,$ 并对其左边运用算术-几何平均值不等式, 得
在不等式 (3.10) 中, 取 $m_{i}=1/(h_{3i}-d_{3i})^{2\alpha},m_{i}^{\prime }=1/(h_{4i}-d_{4i})^{2\beta}$ $(i=1,2,\cdots,n+1),$ 并注意到不等式 (2.2), (3.13) 两式即可证得不等式 (3.11), 且易知 (3.11) 式取等号的条件为定理 3 所述.
在定理 1, 2, 3 和推论 1, 2, 3中, 取 $\Omega_{2}$ 为 $\Omega_{1},$ 可得 联系三个单形的一些新的不等式.
推论 4 在 $n$ 维单形 $\Omega_{1},\Omega _{2},\Omega_{3}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 有
当且仅当单形 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3}$ 均为正则单形且 $P_{2}$ 与 $ P_{3}$ 分别为 $\Omega_{2}$ 与 $\Omega_{3}$ 的中心时, (3.14), (3.22), (3.23) 式取等号, 当且仅当单形 $ \Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3}$ 均为正 则单形时, (3.15)-(3.21) 式取等号.
在定理 1, 2, 3 和推论 1, 2, 3 中, 取 $ \Omega_{4}$ 为 $\Omega_{3},$ 令 $\alpha$ 为 $\dfrac{\alpha}{2},$ 可得
推论 5 在 $n$ 维单形 $\Omega_{1},\Omega _{2},\Omega_{3}$ 中, 对 $\alpha>0,$ 有
当且仅当单形 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3}$ 均为正则单形且 $P_{3}$ 为 $\ \Omega_{3}$ 的中心时, (3.24), (3.32), (3.33) 式取等号, 当且仅当单形 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3}$ 均为正则单形时, (3.25)-(3.31) 式取等号.
在定理 1, 2, 3和推论 1, 2, 3中, 取 $\Omega_{2}$ 为 $\Omega_{1},$ $\Omega_{4}$ 为 $\Omega_{3}$ $(\alpha=\beta$ 为 $\dfrac{\alpha}{2}),$ 可 得联系两个单形的一些新的不等式.
注 1 值得指出的是, 由定理的证明不难看出, 只要将 $(S_{i} S_{j})^{\alpha},$ $(l_{i}l_{j})^{\alpha},$ $(r_{i}r_{j})^{\alpha},$ $(r_{i}^{\prime}r_{j}^{\prime})^{\alpha},$ $(d_{i}d_{j})^{-\alpha},$ $(h_{i}h_{j})^{-\alpha},$ $(S_{i}S_{j})^{-\alpha}$, $[(R^{2}-R_{i}^{2} )(R^{2}-R_{j}^{2})]^{-\alpha},$ $[(h_{i}-d_{i})(h_{j}-d_{j})]^{-\alpha},$ $[(h_{i}+d_{i})(h_{j}+d_{j})]^{-\alpha}$ 这十式两两组合, 还有一大批类似定理 1, 2, 3和推论 1~6的联系四个单形或三个单形以及两个单形的一些 新的不等式, 如
当且仅当单形 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega_{3},\Omega_{4}$ 均为正则单形且 $\ \ P_{4}$ 为 $\Omega_{4}$ 的中心时, (4.1) 式取等号, (4.2) 式取等号的条件 同推论 1.
注 2 (3.34)-(3.37) 以及 (3.42), (3.43) 各式是文 [5] 结果的指数推广.
最后, 我们提出如下猜想.
猜想 在$n$ 维单形 $\Omega_{1},\Omega_{2},\Omega _{3},\Omega_{4}$ 中, 对 $\alpha,\beta>0,$ 证明或否定
(4.3) 式取等号的条件同推论 1.
衷心感谢冷岗松教授的悉心指导和马梁英博士的帮助!