不等式系列: Hölder's 不等式的自我推广【支线, Hölder's 不等式个人剧情】 |
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由于 p 和 q 选取非常灵活,Hölder's 不等式的一大特点是:仅凭自身就能推出更强的形式和推广结果。这个笔记简单介绍其中的三个结果: 对正实数 p, q 的选取不加限制的 Hölder's 不等式 多于两个函数的广义的 Hölder's 不等式 逆向 Hölder's 不等式 首先根据 FFTypeZero 的建议,我们用范数形式对测度空间 S 上的积分进行简化。 这个简记需要注意两点: 当实数 p ≥ 1 时,如果积分不发散的话,是满足范数的要求的。 当 p < 1 时,不满足范数的要求。因此这种情况下仅仅是简记的作用,没有范数的意思。 【过期的猪肉干所喜欢的 Hölder's 不等式形式】对于任意定义在测度空间 S 上的实值非负函数 f 和 g,任意正实数 p 和 q,我们有 我们可以仅用 Hölder's 不等式就能证明这一点: 定义 r := pq / (p+q) (可理解为 1/r = 1/p + 1/q),根据 Hölder's 不等式我们有 p/r 和 q/r 是 Hölder's 共轭的(倒数和为1)两边取 1/r 次方就行了: r 为什么可以移出来?把简记法展开就很容易看出我们下面会看到,这个形式其实还可以推广到多于两个函数的情况,即“广义 Hölder's 不等式”。 多个函数的广义的 Hölder's 不等式对于测度空间 S 上的任意 n 个实值非负函数 f_1, ..., f_n,以及 n 个正实数 p_1, ..., p_n,定义正实数 r 满足 因为每一个 p_i 都大于 0,我们可以看出 r 比 p_i 当中最小的那个还要小,即 p_i - r > 0 恒成立。可以看到,过期的猪肉干所喜欢的例子中的 r 是 n = 2 的特例。 我们再用一遍上个例子中的思路。 定义一对 Hölder's 共轭(倒数之和为1的两个正实数): 前面已经说过了,由于 p_n 一定大于 r,这里的 p 和 q 是良好定义的(都是正实数)。 应用 Hölder's 不等式: 两边取 1/r 次方: 可以看到上面这个不等式右边 f_n 一项被分离出来了。而 r - p_n 正好是前 n-1 项 p_i 的和。 所以重复上面的步骤,再利用 Hölder's 不等式 n-2 次,就可以得到广义的 Hölder's 不等式: 有趣的是,虽然我们利用 Hölder's 不等式放缩了 n-1 次,但结论不但没有减弱,反而变得比原版的 Hölder's 不等式适用范围更广了。这就是名字“广义”的由来。 逆向 Hölder's 不等式本质上还是再利用一次 Hölder's 不等式: 第二步用到了 Hölder's 不等式,最后一步是改用了另外一种简记。 需要特别注意的是,上面当我们使用 Hölder's 不等式的时候,是假设 ||g^{-1/p}||_q 是不发散的且大于 0 的。 另外,根据 1/p + 1/q = 1,我们有 1/q = 1 - 1/p, - q/p = 1/(1 - p)。因此 代入到之前的结果: 两边 p 次方: 再移项: 或者换种简记也行: 最常见的逆向 Hölder's 不等式只是些不同的记法,没有本质区别。 后记英文维基词条 Hölder's inequality 是这篇笔记的主要参考。 |
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