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domingo, 4 de agosto de 2024

La desigualdad triangular con la operación módulo en el conjunto de los números complejos: |z_1+z_2|\le |z_1|+|z_2|

Sean números complejos cualesquiera, z_1=a_1+i\,b_1, z_2=a_2+i\,b_2;\, a_1,b_1,a_2,b_2\in \mathbb{R}. Queremos demostrar que se cumple la desigualdad triangular con la operación módulo: |z_1+z_2|\le |z_1|+|z_2|

  |z_1+z_2|^2=
    =(z_1+z_2)\,\overline{(z_1+z_2)}
      =(z_1+z_2)\,(\overline{z_1}+\overline{z_2})
        =z_1\,\overline{z_2}+z_2\,\overline{z_1}+z_1\,\overline{z_1}+z_2\,\overline{z_2}
          =z_1\,\overline{z_2}+z_2\,\overline{z_1}+|z_1|^2+|z_2|^2 \quad (1)

Desarrollando los dos primeros términos del segundo miembro:
  z_1\,\overline{z_2}+z_2\,\overline{z_1}=
    =(a_1+\,i\,b_1)\,(a_2-i\,b_2)+(a_2+\,i\,b_2)\,(a_1-i\,b_1)
      =2\,(a_1\,a_2+b_1\,b_2)+i\,(a_2\,b_1-a_1\,b_2+a_1\,b_2-a_2\,b_1)
        =2\,(a_1\,a_2+b_1\,b_2)+i\,0
          =2\,(a_1\,a_2+b_1\,b_2)

Entonces, podemos escribir (1) de la forma,
  |z_1+z_2|^2=
    =2\,(a_1\,a_2+b_1\,b_2)+|z_1|^2+|z_2|^2 \quad (2)

Por otra parte,
  |z_1|\,|z_2|=
    =\sqrt{a_{1}^{2}+b_{1}^{2}}\cdot \sqrt{a_{2}^{2}+b_{2}^{2}}
      =\sqrt{(a_{1}^{2}+b_{1}^{2})(a_{2}^{2}+b_{2}^{2})}
        =\sqrt{a_{1}^{2}\,a_{2}^{2}+b_{1}^{2}\,b_{2}^{2}+a_{1}^{2}\,b_{2}^{2}+a_{2}^{2}\,b_{1}^{2}}
          =\sqrt{(a_1\,a_2)^2+(b_1\,b_2)^2 + (a_{1}\,b_{2})^{2}+(a_{2}\,b_{1})^{2}}
            =\sqrt{((a_1\,a_2)+(b_1\,b_2))^2-2\,a_1\,a_2\,b_1\,b_2 + (a_{1}\,b_{2})^{2}+(a_{2}\,b_{1})^{2}}
              =\sqrt{((a_1\,a_2)+(b_1\,b_2))^2-2\,(a_1\,b_2)\,(a_2\,b_1) + (a_{1}\,b_{2})^{2}+(a_{2}\,b_{1})^{2}}
                =\sqrt{((a_1\,a_2)+(b_1\,b_2))^2-((a_1\,b_2)-(a_2\,b_1))^2}
                  \ge \sqrt{((a_1\,a_2)+(b_1\,b_2))^2}=a_1\,a_2+b_1\,b_2
En consecuencia,
  a_1\,a_2+b_1\,b_2 \le |z_1|\,|z_2|

Por lo que, de (2), se deduce que
  |z_1+z_2|^2\le 2\,|z_1|\,|z_2|+|z_1|^2+|z_2|^2
es decir,
  |z_1+z_2|^2\le (|z_1|+|z_2|)^2 \Rightarrow |z_1+z_2| \le |z_1|+|z_2|
\diamond

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