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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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】

2023-11-24 16:52| 来源: 网络整理| 查看: 265

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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