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
が を満たすとき、 と 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 と 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。 か が 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 と 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。 の 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、 と 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。 を 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。 が 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。
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
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 が 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。











1/p+1/q=1 から 1/q=1−1/3=2/3、したがって q=3/2 です。共役指数は 1 より大きく、p が大きいほど 1 に近づきます。