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ヤングの不等式の証明 📂レンマ

ヤングの不等式の証明

定理

1p+1q=1\displaystyle {{1} \over {p}} + {{1} \over {q}} = 1を満たし、1より大きい二つの定数p,qp,qと二つの正数a,ba,bについて

abapp+bqq ab \le { {a^{p}} \over {p} } + {{b^{q}} \over {q}}

説明

代数的に形が美しい点を除けば、ヘルダーの不等式を証明する以外に大きく言及されない不等式である。

証明

aabbはどちらも正であるため、a=eA,b=eBa = e^A, b = e^Bを満たす実数A,BA,Bが存在する。

凸関数の二次導関数

ffIIで二回微分可能だとしよう。ffIIで凸であるための必要十分条件はf(x)>0f '' (x) >0である。

一方で、ex>0 e^x>0なので二次導関数も常に正であり、そのためR\mathbb{R}で凸である。

イェンセンの不等式

IRI \subset \mathbb{R}で凸なf:IRf : I \to \mathbb{R}k=1nλk=1,λk>0\displaystyle \sum_{k=1}^{n} \lambda_{k} = 1, \lambda_{k}>0について、f(λ1x1+λ2x2++λnxn)λ1f(x1)+λ2f(x2)++λnf(xn)f( \lambda_{1} x_{1} + \lambda_{2} x_{2} + \cdots + \lambda_{n} x_{n} ) \le \lambda_{1} f( x_{1}) + \lambda_{2} f( x_{2}) + \cdots + \lambda_{n} f( x_{n} )

イェンセンの不等式により、

e1ppA+1qqB1pepA+1qeqB e^{{{1} \over {p}} p A + {{1}\over {q}} q B} \le {{1} \over {p}} e^{pA} + {{1} \over {q}} e^{qB}

要するに、 eA+B1p(eA)p+1q(eB)q e^{A+B} \le {{1} \over {p}} (e^{A})^p +{{1} \over {q}} (e^{B})^q

a=eA,b=eBa = e^A, b = e^Bだったので、

abapp+bqq ab \le { {a^{p}} \over {p} } + {{b^{q}} \over {q}}