L1공간과 L2공간의 관계

L1공간과 L2공간의 관계

Relationship Between L2 Space and L1 Space

정의

  • $L^{1}$ 공간

    아래의 식을 만족하는 함수 $f$를 구간 $[a,\ b]$에서 (절대)적분가능absolutely integrable다고 한다.

    $$ \int_a^b |f(x)| dx < \infty $$

    구간 $[a,b]$에서 적분가능한 함수들의 집합을 $L^{1}(a,b)$이라 한다.

    $$ L^{1}(a,b)= \left\{ f : \int_{-a}^{b} |f(x)| dx < \infty \right\} $$

  • $L^{2}$ 공간

    아래의 식을 만족하는 함수를 제곱적분가능square-integrable하다고 한다.

    $$ \int_a^b |f(x)|^{2} dx < \infty $$

    구간 $[a,b]$에서 제곱적분가능한 함수들의 집합을 $L^{2}(a,b)$이라 한다.

    $$ L^{2}(a,b) := \left\{ f : \int_a^b |f(x)|^{2} dx < \infty \right\} $$

설명1

구간을 따로 언급하지 않는 경우 실수 전체 $\mathbb{R}$라고 생각하면 된다.

$$ \begin{align*} L^{1} &= L^{1}(\mathbb{R})=\left\{ f : \int_{-\infty}^{\infty} |f(x)| dx < \infty \right\} \\ L^{2} &= L^{2}(\mathbb{R})=\left\{ f : \int_{-\infty}^{\infty} |f(x)|^{2} dx < \infty \right\} \end{align*} $$

언뜻보면 $L^{1}$ 공간과 $L^{2}$ 공간 사이에 포함 관계가 성립할 것 같지만 전혀 그렇지 않다.

$$ L^{1} \nsubseteq L^{2},\quad L^{2} \nsubseteq L^{1} $$

예를들어 아래와 같은 함수를 생각해보자.

$$ \begin{align*} f(x) &= \begin{cases} x^{-\frac{2}{3}} & \mathrm{if}\ 0<x<1 \\ 0 & \mathrm{otherwise} \end{cases} \\ g(x) &= \begin{cases} x^{-\frac{2}{3}} & \mathrm{if}\ 1<x \\ 0 & \mathrm{otherwise} \end{cases} \end{align*} $$

계산하여 확인해보면, $f$는 $L^{1}$함수이지만 $L^{2}$함수는 아니다.

$$ \begin{align*} \int |f(x)|dx &= \int_0^1 x^{-\frac{2}{3}}dx=\left[ 3x^{\frac{1}{3}} \right]_0^1<\infty \\ \int |f(x)|^2dx &= \int_0^1 x^{-\frac{4}{3}}dx=\left[ -3x^{-\frac{1}{3}} \right]_0^1=\infty \end{align*} $$

반면에 $g$는 $L^{2}$함수이지만 $L^{1}$함수는 아니다.

$$ \begin{align*} \int |g(x)|dx &= \int_1^\infty x^{-\frac{2}{3}}dx=\left[ 3x^{\frac{1}{3}} \right]_1^\infty=\infty \\ \int |g(x)|^2dx &= \int_1^\infty x^{-\frac{4}{3}}dx=\left[ -3x^{-\frac{1}{3}} \right]_1^\infty<\infty \end{align*} $$

하지만 다음과 같은 조건이 만족되면 $L^{1}$함수도 $L^{2}$함수가 되거나 $L^{2}$함수도 $L^{1}$함수가 된다. 또한 적분 구간이 바운드되어있으면 $L^{1} \subset L^{2}$가 성립한다.

정리

(a) $f \in L^{1}$이고 $f$가 유계라고 하자. 그러면 $f \in L^{2}$이다.

(b) $f \in L^{2}$이고 $f$가 유한한 구간 밖에서 $0$이라고 하자. 그러면 $f \in L^{1}$이다.

증명

(a)

$f$가 유계라고 가정했으므로 다음과 같은 양수 $M$이 존재한다.

$$ |f| \le M $$

따라서 $|f|^{2} \le M|f|$이다. 그러므로 다음이 성립한다.

$$ \int |f|^2dx \le \int M|f|dx=M\int |f|dx <\infty $$

(b)

가정에 의해 아래의 식이 성립한다.

$$ \int |f|dx=\int_a^b|f|dx $$

그러면 코시-슈바르츠 부등식 $| \langle x,\ y \rangle | \le \|x\| \|y\|$에 의하여 다음이 성립한다.

$$ \begin{align*} \int_a^b|f|dx =&\ \int_a^b1\cdot |f|dx \\ =&\ \langle 1 , |f| \rangle \\ \le& \| 1 \|_{2} \| |f| \|_{2} \\ =&\ (b-a)^{\frac{1}{2}}\left( \int_a^b|f|^{2} dx\right)^{\frac{1}{2}} \\ <& \infty \end{align*} $$


  1. Gerald B. Folland, Fourier Analysis and Its Applications (1992), p205 ↩︎

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