Le cas d'égalité provient du fait que cette concavité est stricte.
L'inégalité arithmético-géométrique peut également être démontrée comme corollaire de l'inégalité de Muirhead, appliquée aux suites (1,0, … , 0) et (1/n, … , 1/n).
On peut également utiliser les multiplicateurs de Lagrange en étudiant les maximums de la fonction sur l'ensemble .
George Pólya prouve l'inégalité arithmético-géométrique en utilisant l'inégalité :
On considère ensuite a1, a2, ..., an des nombres réels strictement positifs. On pose ensuite :
On utilise l'inégalité ci-dessus pour les nombres ak/A, ce qui donne :
dont le produit donne :
soit
ce qui permet de conclure. On remarque alors qu'on atteint l'égalité s'il y a égalité dans chacune des inégalités précédentes, donc si les ai sont tous égaux (à A)[1].
qu'on peut obtenir en dérivant l'expression 1 – zn+1/1 – z de deux façons différentes.
Le membre de gauche est positif pour z positif.
On a donc, pour z positif :
avec égalité en z = 1.
La substitution donne
avec égalité si et seulement si x = y.
On retrouve alors une inégalité arithmético-géométrique pondérée.
On finit par récurrence sur n pour conclure.
Fergus Gaines donne une preuve[4] reposant sur une inégalité de Schur[5] qui stipule que, pour une matrice carrée M de valeurs propres λ1, λ2, ... , λn :
et en remarquant que Mn = √a1…an In, les valeurs propres de M sont
L'inégalité de Schur donne directement l'inégalité arithmético-géométrique, avec égalité si et seulement si diag(a1, a2, … , an) = diag(an, a1, … , an–1), c'est-à-dire lorsque les ai sont tous égaux.
avec égalité si et seulement si tous les sont égaux.
En effet, en supposant sans perte de généralité qu'aucun n'est nul et en notant (strictement positifs et de somme ), l'inégalité équivaut (voir supra) à
,
qui n'est autre que l'inégalité de Jensen générale pour la fonction (concave) logarithme, et le cas d'égalité provient de la stricte concavité.
On peut également généraliser l'inégalité arithmético-géométrique en remarquant que la moyenne arithmétique correspond à la première fonction symétrique élémentaire, et la moyenne géométrique à la dernière. L'inégalité arithmético-géométrique se réécrit :
↑(en) Ross Honsberger, Mathematical Morsels, (lire en ligne), Problem 26.
↑(en) Horst Aizer, « A proof of the arithmetic mean-geometric mean inequality », Amer. Math. Monthly, vol. 103, no 7, , p. 585.
↑(de) O. Schlömilch, « Über Mïttelgrössen verschiedener Ordnungen », Zeitschrift für Mathematik und Physik, vol. 3, , p. 308-10.
↑(en) Fergus Gaines, « On the arithmetic mean-geometric mean inequality », Amer. Math. Monthly, vol. 74, , p. 305-306 (lire en ligne).
↑(de) I. Schur, « Über die charakteristischen Wurzeln einer linearen Substitution mit einer Anwendung auf die Theorie der Integralgleichungen », Math. Ann., vol. 66, , p. 488-510 (lire en ligne).
↑Rémy Eupherte, « Une majoration de l'écart entre moyenne algébrique et géométrique », Bulletin de l'UPS, (lire en ligne)