三元赫尔德不等式_赫尔德不等式
赫尔德不等式是数学分析的一条不等式,取名自奥图·赫尔德(Otto Hölder)。这是一条揭示Lp空间的相互关系的基本不等式:
设S为测度空间,,及,设f在Lp(S)内,g在Lq(S)内。则f g在L1(S)内,且有
。 若S取作{1,...,n}附计数测度,便得赫尔德不等式的特殊情形:对所有实数(或复数)x1, ..., xn; y1, ..., yn,有
。 我们称p和q互为赫尔德共轭。
若取S为自然数集附计数测度,便得与上类似的无穷级数不等式。
当p = q = 2,便得到柯西-施瓦茨不等式。
赫尔德不等式可以证明Lp空间上一般化的三角不等式,闵可夫斯基不等式,和证明Lp空间是Lq空间的对偶。
在赫尔德共轭的定义中,1/∞意味着零。 如果1 ≤ p,q < ∞,那么||f ||p和||g||q表示(可能无穷的)表达式: 以及 如果p = ∞,那么||f ||∞表示|f |的本性上确界,||g||∞也类似。 在赫尔德不等式的右端,0乘以∞以及∞乘以0意味着 0。把a > 0乘以∞,则得出 ∞。
赫尔德不等式有许多证明,主要的想法是杨氏不等式。
如果||f ||p = 0,那么f μ-几乎处处为零,且乘积fg μ-几乎处处为零,因此赫尔德不等式的左端为零。如果||g||q = 0也是这样。因此,我们可以假设||f ||p > 0且||g||q > 0。
如果||f ||p = ∞或||g||q = ∞,那么不等式的右端为无穷大。因此,我们可以假设||f ||p和||g||q位于(0,∞)内。
如果p = ∞且q = 1,那么几乎处处有|fg| ≤ ||f ||∞ |g|,不等式就可以从勒贝格积分的单调性推出。对于p = 1和q = ∞,情况也类似。因此,我们还可以假设p, q ∈ (1,∞)。
分别用f和g除||f ||p||g||q,我们可以假设:
我们现在使用杨氏不等式:
对于所有非负的a和b,当且仅当a = b时等式成立。因此:
两边积分,得:
这便证明了赫尔德不等式。
在p ∈ (1,∞)和||f ||p = ||g||q = 1的假设下,等式成立当且仅当几乎处处有|f |p = |g|q。更一般地,如果||f ||p和||g||q位于(0,∞)内,那么赫尔德不等式变为等式,当且仅当存在α, β > 0(即α = ||g||q且β = ||f ||p),使得:
μ-几乎处处 (*) ||f ||p = 0的情况对应于(*)中的β = 0。||g||q = 的情况对应于(*)中的α = 0。
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