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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1

ΩRn\Omega \subset \mathbb{R}^{n}開集合としよう。次の式を満たす二つの定数1<p<,1<p<1 \lt p \lt \infty, 1 \lt p^{\prime} \lt \inftyが与えられたとする。

1p+1p=1(or p=pp1) \dfrac{1}{p}+\dfrac{1}{p^{\prime}} = 1 \left(\text{or } p^{\prime} = \frac{p}{p-1} \right)

もしuLp(Ω)u \in L^p(\Omega)vLp(Ω)v\in L^{p^{\prime}}(\Omega)ならばuvL1(Ω)uv \in L^1(\Omega)であり、下記の不等式が成り立つ。

uv1=Ωu(x)v(x)dxupvp \| uv \|_{1} = \int_{\Omega} |u(x)v(x)| dx \le \| u \|_{p} \| v \|_{p^{\prime}}

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

pp^{\prime}pp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。qqと表記することが多い。

u(x)p| u(x) |^{p}v(x)p| v(x) |^{p^{\prime}}Ω\Omega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=2p=p^{\prime}=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。

uvr=(Ωu(x)v(x)rdx)1/rupvp \| uv \|_{r} = \left( \int_{\Omega} |u(x)v(x)|^{r} dx \right)^{1/r} \le \| u \|_{p} \| v\|_{p^{\prime}}

ur=(Ωu(x)rdx)1/rj=1Nujpj=u1p1uNpN \| u \|_{r} = \left( \int_{\Omega} |u(x)|^{r} dx \right)^{1/r} \le \prod_{j=1}^{N} \| u_{j} \|_{{p}_j} = \| u_{1} \|_{{p}_1} \cdots \| u_{N} \|_{p_{N}}

証明

ヤングの不等式

1p+1p=1\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{p^{\prime}} = 1を満たし、1より大きい二つの定数p,pp, p^{\prime}と二つの正の数a,ba,bに対して

abapp+bpp ab \le { {a^{p}} \over {p} } + {{b^{p^{\prime}}} \over {p^{\prime}}}

  • ケース1. up=0\| u \|_{p} = 0またはvp=0\| v \|_{p^{\prime}} = 0

    Ω\Omegaのほとんど至る所でu(x)=0u(x) = 0であるか、Ω\Omegaのほとんど至る所でv(x)=0v(x) = 0であるため、Ω\Omegaのほとんど至る所でu(x)v(x)=0u(x)v(x) = 0である。したがって

    Ωu(x)v(x)dx=uv1=0 \left| \int_{\Omega} u(x) v(x) dx \right| = \| uv \|_{1} = 0

    そして

    upvp=0 \| u \|_{p} \| v \|_{p^{\prime}} = 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(x)upa = \dfrac{\left| u(x) \right|}{\| u \|_{p}}b=v(x)vpb = \dfrac{\left| v(x) \right|}{\| v \|_{p^{\prime}}}を代入する。すると

    u(x)upv(x)vpu(x)ppupp+v(x)ppvpp \dfrac{\left| u(x) \right|}{\| u \|_{p}} \dfrac{\left| v(x) \right|}{\| v \|_{p^{\prime}}} \le \dfrac{ \left| u(x) \right|^{p}}{ p \| u \|_{p}^{p}} + \dfrac{\left| v(x) \right|^{p^{\prime}}}{ p^{\prime} \| v \|_{p^{\prime}}^{p^{\prime}}}

    両辺を積分すると以下のようになる。

    1upvpΩu(x)v(x)dx1puppΩu(x)pdx+1pvppΩv(x)pdx1puppupp+1pvppvpp1p+1p=1 \begin{align*} \dfrac{1}{\| u \|_{p} \| v \|_{p^{\prime}}} \int_{\Omega}\left| u(x)v(x) \right| dx \le & \dfrac{1}{p \| u \|_{p}^{p}} \int_{\Omega} \left| u(x) \right|^{p} dx + \dfrac{1}{ p^{\prime} \| v \|_{p^{\prime}}^{p^{\prime}}} \int_{\Omega} \left| v(x) \right|^{p^{\prime}} dx \\ \le & \dfrac{1}{p \| u \|_{p}^{p}} \| u \|_{p}^{p} + \dfrac{1}{ p^{\prime} \| v \|_{p^{\prime}}^{p^{\prime}}} \| v \|_{p^{\prime}}^{p^{\prime}} \\ \le & \dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{ p^{\prime} } \\ =& 1 \end{align*}

    左辺の定数を移行すると

    uv1=Ωu(x)v(x)dxupvp \| uv \|_{1} = \int_{\Omega} |u(x)v(x)| dx \le \| u \|_{p} \| v \|_{p^{\prime}}

    よってuvL1(Ω)uv \in L^{1}(\Omega)であり、不等式が成り立つ。

関連項目


  1. Robert A. Adams and John J. F. Foutnier, Sobolev Space (2nd Edition, 2003), p24-25 ↩︎