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共役指数がすべてを決める - ヘルダーとミンコフスキーの不等式

を満たすとき、 を共役指数といいます[1] には が、 には が対応。

この関係のもとで、積の積分がノルムの積で押さえられます。

ヘルダーの不等式です。左辺は 、右辺は をそれぞれ別の指数で測ったもの。

ヤングの不等式から出る

証明の芯は 1 変数の不等式です。 と共役指数について次が成り立ちます[1]

これをヤングの不等式といいます。図で見ると、曲線 の下の面積と左の面積を足したものが、長方形 以上になる、という主張。

ヘルダーの不等式の証明は、これを各点で当てるだけです。 と正規化しておき、 とおく。

両辺を積分すると、右辺は になります。左辺が 以下、つまり

正規化を戻せば一般の場合が出ます。 のときは、片方が a.e. で なので両辺とも

等号が立つのはいつか

のとき、等号は が a.e. で 1 次従属になるときに限ります[1]

ヤングの不等式で等号が立つのは のときだけ、という事実がそのまま持ち上がったもの。各点で等号が立つ必要があるので、比が定数でなければなりません。

ヘルダーの等号条件は、各点でヤングの等号が立つことに帰着します。

が a.e. で成り立つ、という形になる。

特別な場合

にとるとコーシー・シュワルツの不等式です[1]

にとると、 が a.e. で成り立つことから出ます。素朴に見えますが、これもヘルダーの一例。

数え上げ測度にとれば数列の形になります。有限和でも無限和でも同じ不等式が立つ。

ミンコフスキーの不等式

三角不等式のほうを見ます。 について次が成り立ちます[2]

これがあるおかげで がノルムになり、 がノルム空間になります[4]

証明はヘルダーを経由します。 と分け、前を で押さえる。

それぞれにヘルダーを当てます。 乗が になるところが噛み合っていて、 が外に出る。

両辺を で割れば結論です。この割り算のために、 が有限かつ でないことを先に確かめます。

を 2 つの積に分ける

それぞれにヘルダーを当てる

共通因子で割って三角不等式を得る

等号と、 での逆転

での等号は、 が正の定数倍で結ばれているとき、あるいは片方が のときに限ります[2]

では不等号の向きが逆になります[2]。非負の関数に限れば、 が成り立つ。

単位球の形で見ると納得できます。 では凸なので和が球の中に収まり、 では星形にへこむので外へ出る。

積分形のミンコフスキー

和を積分に置き換えた形もあります[2]。σ 有限な 2 つの測度空間の上で、次が成り立ちます。

「積分してからノルムをとる」ほうが「ノルムをとってから積分する」より小さい、と読めます。有限和の三角不等式を、積分にまで押し広げたもの。

たたみこみの評価や、偏微分方程式の評価でよく使われる道具。

応用:包含関係と補間

測度が有限なら )が成り立ちました。これはヘルダーから 1 行で出ます。

と定数関数 に、指数 とその共役をとって当てるだけ。

もうひとつがノルムの補間です。 で結ぶと、次が成り立ちます[1]

リトルウッドの不等式と呼ばれます。 の凸関数になる、と言い換えられる[1]

両端の指数でノルムが有限なら、あいだの指数でも有限。 が、測度に条件をつけずに従います。

ヘルダーの不等式

違う指数で測った 2 つを掛ける。積の積分を押さえる道具で、補間や双対性の土台になる

ミンコフスキーの不等式

同じ指数で測った 2 つを足す。三角不等式そのもので、 がノルム空間になる根拠

応用:双対性

のとき、 を固定すると 上の有界線形汎関数になります[3]

ヘルダーの不等式が有界性を与え、しかも作用素ノルムがちょうど に一致する。等号条件を使って、上限が実際に達成されることを示します[3]

逆に の有界線形汎関数がすべてこの形に書けることも成り立ちます。 の双対が と同一視できる、という主張です[3]

に対する共役指数はどれですか。

__RESULT__

から 、したがって です。共役指数は より大きく、 が大きいほど に近づきます。

よくある誤り

共役指数を で計算する。正しくは逆数の和が です。
ヘルダーを同じ指数どうしで使おうとする。 は共役の関係になければなりません。
コーシー・シュワルツを別の定理だと思う。 のヘルダーそのものです。
でもミンコフスキーが成り立つと思う。向きが逆になります。
ミンコフスキーの証明で共通因子を割るとき、 の有限性を確かめない。 だと割れません。
補間に測度の有限性が要ると思う。リトルウッドの不等式は測度によりません。
等号条件を「 が比例」で覚える。ヘルダーでは が比例、という形です。

参考文献

Hölder's inequality. Wikipedia(英語).
Minkowski inequality. Wikipedia(英語).
J. K. Hunter. *Measure Theory*. University of California at Davis, 2011.
Lp-Raum. Wikipedia(ドイツ語).
$1/p + 1/q = 1$ でつながった 2 つの指数があれば、積の積分をノルムの積で押さえられます。証明の芯は 1 変数のヤングの不等式で、曲線の下と左の面積を足すと長方形より広い、という図がそのまま持ち上がる。等号条件、コーシー・シュワルツとの関係、ヘルダーから三角不等式を導く手順、$p < 1$ で向きが逆転する理由、そして補間と双対性への効き方まで並べます。