ルベーグ空間におけるヘルダーの不等式の証明
📂ルベーグ空間ルベーグ空間におけるヘルダーの不等式の証明
定理
Ω⊂Rnを開集合としよう。次の式を満たす二つの定数1<p<∞,1<p′<∞が与えられたとする。
p1+p′1=1(or p′=p−1p)
もしu∈Lp(Ω)とv∈Lp′(Ω)ならばuv∈L1(Ω)であり、下記の不等式が成り立つ。
∥uv∥1=∫Ω∣u(x)v(x)∣dx≤∥u∥p∥v∥p′
この不等式をヘルダーの不等式ヘルダーの不等式という。
説明
p′はpのヘルダー共役ヘルダー共役または共役指数共役指数と呼ばれる。qと表記することが多い。
∣u(x)∣pと∣v(x)∣p′がΩにおいてほとんど至る所で比例関係にある場合、等式が成り立つ。
本質的にユークリッド空間におけるヘルダーの不等式と同じで、p=p′=2の時にコーシー・シュワルツの不等式になるのも同様だ。証明自体はコーシー・シュワルツの不等式の証明と同じで、ヤングの不等式が追加されただけである。
次のような形での一般化も可能である。
∥uv∥r=(∫Ω∣u(x)v(x)∣rdx)1/r≤∥u∥p∥v∥p′
∥u∥r=(∫Ω∣u(x)∣rdx)1/r≤j=1∏N∥uj∥pj=∥u1∥p1⋯∥uN∥pN
証明
ヤングの不等式
p1+p′1=1を満たし、1より大きい二つの定数p,p′と二つの正の数a,bに対して
ab≤pap+p′bp′
ケース1. ∥u∥p=0または∥v∥p′=0
Ωのほとんど至る所でu(x)=0であるか、Ωのほとんど至る所でv(x)=0であるため、Ωのほとんど至る所でu(x)v(x)=0である。したがって
∫Ωu(x)v(x)dx=∥uv∥1=0
そして
∥u∥p∥v∥p′=0
となり、不等式が成り立つ。
ケース2. その他の場合
ヤングの不等式にa=∥u∥p∣u(x)∣とb=∥v∥p′∣v(x)∣を代入する。すると
∥u∥p∣u(x)∣∥v∥p′∣v(x)∣≤p∥u∥pp∣u(x)∣p+p′∥v∥p′p′∣v(x)∣p′
両辺を積分すると以下のようになる。
∥u∥p∥v∥p′1∫Ω∣u(x)v(x)∣dx≤≤≤=p∥u∥pp1∫Ω∣u(x)∣pdx+p′∥v∥p′p′1∫Ω∣v(x)∣p′dxp∥u∥pp1∥u∥pp+p′∥v∥p′p′1∥v∥p′p′p1+p′11
左辺の定数を移行すると
∥uv∥1=∫Ω∣u(x)v(x)∣dx≤∥u∥p∥v∥p′
よってuv∈L1(Ω)であり、不等式が成り立つ。
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関連項目