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114 政大微積分(應數大三) 第 6 題

考題 / 轉學考微積分 / 政大 / 微積分(應數大三)

114學年度 · 114微積分(應數大三) · 第 6 題

題目

Problem

Let p>1p > 1, q>1q > 1 with 1p+1q=1\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1.

(1) (10%) Show that ab≤1pap+1qbqab \le \frac{1}{p} a^p + \frac{1}{q} b^q for all a≥0a \ge 0 and b≥0b \ge 0. (Hint. Consider the logarithmic function) \[2mm] (2) (10%) Let f,g:[0,1]→Rf, g : [0, 1] \to \mathbb{R} be continuous functions. Prove the following Hölder inequality:

\int_{0}^{1} |f(x)g(x)| \,\mathrm{d}x \le \left( \int_{0}^{1} |f(x)|^p \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{p}} \left( \int_{0}^{1} |g(x)|^q \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{q}}. $$ \\[2mm] (3) (10%) We denote $\|h\|_{L^p(0, 1)} := \left( \int_{0}^{1} |h(x)|^p \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{p}}$ for any continuous function $h : [0, 1] \to \mathbb{R}$. Prove the following Minkowski inequality:

|f + g|{L^p(0, 1)} \le |f|{L^p(0, 1)} + |g|_{L^p(0, 1)}

for all continuous functions $f, g : [0, 1] \to \mathbb{R}$. (Hint. Write $|f + g|^p = |f + g| |f + g|^{p-1}$) (6) $\underline{\quad\text{見解答}\quad}$.

解答

解法一

思路

展開

本題是實分析(Real Analysis)中極為經典的基礎證明題,依序要求證明 Young 不等式、Hölder 不等式 與 Minkowski 不等式。這三個不等式是 LpL^p 空間理論的基石。

  1. 第 (1) 小題:證明 Young 不等式

    • 題目提示考慮對數函數。我們知道自然對數函數 h(x)=ln⁡xh(x) = \ln x 定義在 x>0x > 0。
    • 計算其二階導數:h′(x)=1x  ⟹  h′′(x)=−1x2<0h'(x) = \frac{1}{x} \implies h''(x) = -\frac{1}{x^2} < 0。
    • 由於二階導數恆小於 00,對數函數 h(x)=ln⁡xh(x) = \ln x 是**嚴格凹向下(Strictly Concave)**的函數。
    • 根據凹函數的定義,對於任意正實數 u,vu, v 與滿足 α+β=1\alpha + \beta = 1 的正權重 α,β\alpha, \beta,恆有: ln⁡(αu+βv)≥αln⁡u+βln⁡v\ln(\alpha u + \beta v) \ge \alpha \ln u + \beta \ln v
    • 我們令 α=1p\alpha = \frac{1}{p},β=1q\beta = \frac{1}{q}(滿足 1p+1q=1\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1),且令 u=apu = a^p,v=bqv = b^q。
    • 代入對數凹性不等式即可證出結果。若 a=0a=0 或 b=0b=0,不等式顯然成立。
  2. 第 (2) 小題:證明 Hölder 不等式

    • 當 ∥f∥p=0\|f\|_p = 0 或 ∥g∥q=0\|g\|_q = 0 時,函數幾乎處處為 00,不等式兩邊皆為 00,顯然成立。
    • 當 ∥f∥p>0\|f\|_p > 0 且 ∥g∥q>0\|g\|_q > 0 時,我們利用「標準化(Normalization)」技巧。
    • 定義兩個標準化函數: A(x)=∣f(x)∣∥f∥p,B(x)=∣g(x)∣∥g∥qA(x) = \frac{|f(x)|}{\|f\|_p}, \quad B(x) = \frac{|g(x)|}{\|g\|_q}
    • 對於每一個 x∈[0,1]x \in [0, 1],將其作為實數代入第 (1) 小題的 Young 不等式: A(x)B(x)≤1pA(x)p+1qB(x)qA(x)B(x) \le \frac{1}{p} A(x)^p + \frac{1}{q} B(x)^q
    • 將表達式展開,並對等式兩邊同時從 00 到 11 進行積分,化簡即可得到所求。
  3. 第 (3) 小題:證明 Minkowski 不等式

    • 根據提示,我們將 ∣f+g∣p|f+g|^p 拆開,並利用三角不等式: ∣f+g∣p=∣f+g∣⋅∣f+g∣p−1≤(∣f∣+∣g∣)∣f+g∣p−1=∣f∣∣f+g∣p−1+∣g∣∣f+g∣p−1|f+g|^p = |f+g| \cdot |f+g|^{p-1} \le \Big(|f| + |g|\Big) |f+g|^{p-1} = |f||f+g|^{p-1} + |g||f+g|^{p-1}
    • 兩邊從 00 到 11 積分: ∫01∣f+g∣p dx≤∫01∣f∣∣f+g∣p−1 dx+∫01∣g∣∣f+g∣p−1 dx\int_{0}^{1} |f+g|^p \,\mathrm{d}x \le \int_{0}^{1} |f||f+g|^{p-1} \,\mathrm{d}x + \int_{0}^{1} |g||f+g|^{p-1} \,\mathrm{d}x
    • 對右邊的兩個積分項分別使用第 (2) 小題的 Hölder 不等式:
      • ∫∣f∣∣f+g∣p−1≤∥f∥p(∫∣f+g∣(p−1)q)1/q\int |f||f+g|^{p-1} \le \|f\|_p \left( \int |f+g|^{(p-1)q} \right)^{1/q}
    • 由於 1p+1q=1  ⟹  (p−1)q=p\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1 \implies (p-1)q = p,所以右邊的項剛好可以化簡為 ∥f+g∥pp/q\|f+g\|_p^{p/q} 的形式。
    • 提取公因子後,同除以 ∥f+g∥pp/q\|f+g\|_p^{p/q},並利用指數關係 p−pq=p(1−1q)=p⋅1p=1p - \frac{p}{q} = p\left(1 - \frac{1}{q}\right) = p \cdot \frac{1}{p} = 1,即可證出 Minkowski 不等式。

答題過程

展開

第 (1) 小題:證明 Young 不等式

當 a=0a = 0 或 b=0b = 0 時,不等式左側 ab=0ab = 0,而右側 1pap+1qbq≥0\frac{1}{p} a^p + \frac{1}{q} b^q \ge 0,不等式顯然成立。

現在討論 a>0a > 0 且 b>0b > 0 的情況: 我們定義對數函數 h(x)=ln⁡xh(x) = \ln x,定義域為 x>0x > 0。對其進行兩次微分:

h′(x)=1x  ⟹  h′′(x)=−1x2h'(x) = \frac{1}{x} \implies h''(x) = -\frac{1}{x^2}

對於所有 x>0x > 0,二階導函數 h′′(x)<0h''(x) < 0 恆成立。這說明函數 h(x)=ln⁡xh(x) = \ln x 為**嚴格凹向下(Strictly Concave)**的函數。

根據凹函數的性質,對於任意正實數 u,vu, v 與滿足 α+β=1\alpha + \beta = 1 的正權重 α,β\alpha, \beta,恆滿足:

ln⁡(αu+βv)≥αln⁡u+βln⁡v— (1)\ln(\alpha u + \beta v) \ge \alpha \ln u + \beta \ln v \quad \text{--- (1)}

由於已知 p>1,q>1p > 1, q > 1 且滿足 1p+1q=1\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1,我們令:

α=1p,β=1q,u=ap,v=bq\alpha = \frac{1}{p}, \quad \beta = \frac{1}{q}, \quad u = a^p, \quad v = b^q

代入凹性不等式 (1):

ln⁡(1pap+1qbq)≥ 1pln⁡(ap)+1qln⁡(bq)ln⁡(1pap+1qbq)≥ ln⁡a+ln⁡bln⁡(1pap+1qbq)≥ ln⁡(ab)\begin{align*} \ln\left( \frac{1}{p} a^p + \frac{1}{q} b^q \right) \ge&\, \frac{1}{p} \ln\left(a^p\right) + \frac{1}{q} \ln\left(b^q\right) \\[4mm] \ln\left( \frac{1}{p} a^p + \frac{1}{q} b^q \right) \ge&\, \ln a + \ln b \\[4mm] \ln\left( \frac{1}{p} a^p + \frac{1}{q} b^q \right) \ge&\, \ln(ab) \end{align*}

由於自然對數函數是單調遞增的,我們對兩邊取指數以消去對數:

1pap+1qbq≥ab\frac{1}{p} a^p + \frac{1}{q} b^q \ge ab

證畢。


第 (2) 小題:證明 Hölder 不等式

若 ∥f∥Lp=0\|f\|_{L^p} = 0 或 ∥g∥Lq=0\|g\|_{L^q} = 0,則說明函數在區間上幾乎處處為 00,此時不等式兩邊皆為 00,等式顯然成立。

現在假定 ∥f∥Lp>0\|f\|_{L^p} > 0 且 ∥g∥Lq>0\|g\|_{L^q} > 0。我們定義兩個標準化函數:

A(x)=∣f(x)∣∥f∥Lp=∣f(x)∣(∫01∣f(t)∣p dt)1p,B(x)=∣g(x)∣∥g∥Lq=∣g(x)∣(∫01∣g(t)∣q dt)1qA(x) = \frac{|f(x)|}{\|f\|_{L^p}} = \frac{|f(x)|}{\left( \int_{0}^{1} |f(t)|^p \,\mathrm{d}t \right)^{\frac{1}{p}}}, \quad B(x) = \frac{|g(x)|}{\|g\|_{L^q}} = \frac{|g(x)|}{\left( \int_{0}^{1} |g(t)|^q \,\mathrm{d}t \right)^{\frac{1}{q}}}

對於每一個特定的 x∈[0,1]x \in [0, 1], A(x)≥0A(x) \ge 0 且 B(x)≥0B(x) \ge 0。我們將其代入第 (1) 小題證得的 Young 不等式:

A(x)B(x)≤1pA(x)p+1qB(x)qA(x)B(x) \le \frac{1}{p} A(x)^p + \frac{1}{q} B(x)^q

展開上述不等式:

∣f(x)g(x)∣∥f∥Lp∥g∥Lq≤1p∣f(x)∣p∥f∥Lpp+1q∣g(x)∣q∥g∥Lqq\frac{|f(x)g(x)|}{\|f\|_{L^p} \|g\|_{L^q}} \le \frac{1}{p} \frac{|f(x)|^p}{\|f\|_{L^p}^p} + \frac{1}{q} \frac{|g(x)|^q}{\|g\|_{L^q}^q}

我們將不等式兩邊同時對 xx 在區間 [0,1][0, 1] 上進行定積分:

∫01∣f(x)g(x)∣∥f∥Lp∥g∥Lq dx≤∫01(1p∣f(x)∣p∥f∥Lpp+1q∣g(x)∣q∥g∥Lqq)dx\int_{0}^{1} \frac{|f(x)g(x)|}{\|f\|_{L^p} \|g\|_{L^q}} \,\mathrm{d}x \le \int_{0}^{1} \left( \frac{1}{p} \frac{|f(x)|^p}{\|f\|_{L^p}^p} + \frac{1}{q} \frac{|g(x)|^q}{\|g\|_{L^q}^q} \right) \mathrm{d}x

提取分母中的常數項:

1∥f∥Lp∥g∥Lq∫01∣f(x)g(x)∣ dx≤1p⋅∥f∥Lpp∫01∣f(x)∣p dx+1q⋅∥g∥Lqq∫01∣g(x)∣q dx\frac{1}{\|f\|_{L^p} \|g\|_{L^q}} \int_{0}^{1} |f(x)g(x)| \,\mathrm{d}x \le \frac{1}{p \cdot \|f\|_{L^p}^p} \int_{0}^{1} |f(x)|^p \,\mathrm{d}x + \frac{1}{q \cdot \|g\|_{L^q}^q} \int_{0}^{1} |g(x)|^q \,\mathrm{d}x

注意到根據定義, ∫01∣f(x)∣p dx=∥f∥Lpp\int_{0}^{1} |f(x)|^p \,\mathrm{d}x = \|f\|_{L^p}^p 且 ∫01∣g(x)∣q dx=∥g∥Lqq\int_{0}^{1} |g(x)|^q \,\mathrm{d}x = \|g\|_{L^q}^q。因此,右側的積分項與分母完全消去:

1∥f∥Lp∥g∥Lq∫01∣f(x)g(x)∣ dx≤ 1p(1)+1q(1)1∥f∥Lp∥g∥Lq∫01∣f(x)g(x)∣ dx≤ 1p+1q=1\begin{align*} \frac{1}{\|f\|_{L^p} \|g\|_{L^q}} \int_{0}^{1} |f(x)g(x)| \,\mathrm{d}x \le&\, \frac{1}{p} (1) + \frac{1}{q} (1) \\[4mm] \frac{1}{\|f\|_{L^p} \|g\|_{L^q}} \int_{0}^{1} |f(x)g(x)| \,\mathrm{d}x \le&\, \frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1 \end{align*}

兩邊同乘以正數 ∥f∥Lp∥g∥Lq\|f\|_{L^p} \|g\|_{L^q},得到:

∫01∣f(x)g(x)∣ dx≤∥f∥Lp∥g∥Lq\int_{0}^{1} |f(x)g(x)| \,\mathrm{d}x \le \|f\|_{L^p} \|g\|_{L^q}

即:

∫01∣f(x)g(x)∣ dx≤(∫01∣f(x)∣p dx)1p(∫01∣g(x)∣q dx)1q\int_{0}^{1} |f(x)g(x)| \,\mathrm{d}x \le \left( \int_{0}^{1} |f(x)|^p \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{p}} \left( \int_{0}^{1} |g(x)|^q \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{q}}

證畢。


第 (3) 小題:證明 Minkowski 不等式

若 ∥f+g∥Lp=0\|f+g\|_{L^p} = 0,則不等式顯然成立。

現在假定 ∥f+g∥Lp>0\|f+g\|_{L^p} > 0。根據提示,我們展開並利用實數絕對值的三角不等式:

∣f(x)+g(x)∣p= ∣f(x)+g(x)∣⋅∣f(x)+g(x)∣p−1≤ (∣f(x)∣+∣g(x)∣)∣f(x)+g(x)∣p−1= ∣f(x)∣∣f(x)+g(x)∣p−1+∣g(x)∣∣f(x)+g(x)∣p−1\begin{align*} |f(x) + g(x)|^p =&\, |f(x) + g(x)| \cdot |f(x) + g(x)|^{p-1} \\[4mm] \le&\, \Big( |f(x)| + |g(x)| \Big) |f(x) + g(x)|^{p-1} \\[4mm] =&\, |f(x)| |f(x) + g(x)|^{p-1} + |g(x)| |f(x) + g(x)|^{p-1} \end{align*}

將不等式兩邊在 [0,1][0, 1] 上進行積分:

∫01∣f+g∣p dx≤∫01∣f∣∣f+g∣p−1 dx+∫01∣g∣∣f+g∣p−1 dx— (2)\int_{0}^{1} |f+g|^p \,\mathrm{d}x \le \int_{0}^{1} |f| |f+g|^{p-1} \,\mathrm{d}x + \int_{0}^{1} |g| |f+g|^{p-1} \,\mathrm{d}x \quad \text{--- (2)}

我們對式 (2) 右側的兩個積分項分別使用第 (2) 小題的 Hölder 不等式:

  1. 對於第一項:

    ∫01∣f∣∣f+g∣p−1 dx≤(∫01∣f∣p dx)1p(∫01(∣f+g∣p−1)q dx)1q\int_{0}^{1} |f| |f+g|^{p-1} \,\mathrm{d}x \le \left( \int_{0}^{1} |f|^p \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{p}} \left( \int_{0}^{1} \big(|f+g|^{p-1}\big)^q \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{q}}

    因為已知 1p+1q=1  ⟹  1−1p=1q  ⟹  p−1p=1q  ⟹  (p−1)q=p\frac{1}{p} + \frac{1}{q} = 1 \implies 1 - \frac{1}{p} = \frac{1}{q} \implies \frac{p-1}{p} = \frac{1}{q} \implies (p-1)q = p。 將 (p−1)q=p(p-1)q = p 代回上式:

    ∫01∣f∣∣f+g∣p−1 dx≤∥f∥Lp(∫01∣f+g∣p dx)1q=∥f∥Lp⋅∥f+g∥Lppq\int_{0}^{1} |f| |f+g|^{p-1} \,\mathrm{d}x \le \|f\|_{L^p} \left( \int_{0}^{1} |f+g|^p \,\mathrm{d}x \right)^{\frac{1}{q}} = \|f\|_{L^p} \cdot \|f+g\|_{L^p}^{\frac{p}{q}}
  2. 對於第二項(同理可得):

    ∫01∣g∣∣f+g∣p−1 dx≤∥g∥Lp⋅∥f+g∥Lppq\int_{0}^{1} |g| |f+g|^{p-1} \,\mathrm{d}x \le \|g\|_{L^p} \cdot \|f+g\|_{L^p}^{\frac{p}{q}}

將這兩個 Hölder 估計式代回不等式 (2):

∫01∣f+g∣p dx≤ ∥f∥Lp⋅∥f+g∥Lppq+∥g∥Lp⋅∥f+g∥Lppq∥f+g∥Lpp≤ (∥f∥Lp+∥g∥Lp)∥f+g∥Lppq\begin{align*} \int_{0}^{1} |f+g|^p \,\mathrm{d}x \le&\, \|f\|_{L^p} \cdot \|f+g\|_{L^p}^{\frac{p}{q}} + \|g\|_{L^p} \cdot \|f+g\|_{L^p}^{\frac{p}{q}} \\[4mm] \|f+g\|_{L^p}^p \le&\, \Big( \|f\|_{L^p} + \|g\|_{L^p} \Big) \|f+g\|_{L^p}^{\frac{p}{q}} \end{align*}

因為 ∥f+g∥Lp>0\|f+g\|_{L^p} > 0,我們兩邊同除以 ∥f+g∥Lppq\|f+g\|_{L^p}^{\frac{p}{q}}:

∥f+g∥Lpp−pq≤∥f∥Lp+∥g∥Lp\|f+g\|_{L^p}^{p - \frac{p}{q}} \le \|f\|_{L^p} + \|g\|_{L^p}

計算指數部分:

p−pq=p(1−1q)=p(1p)=1p - \frac{p}{q} = p\left(1 - \frac{1}{q}\right) = p \left(\frac{1}{p}\right) = 1

因此,我們得到:

∥f+g∥Lp≤∥f∥Lp+∥g∥Lp\|f+g\|_{L^p} \le \|f\|_{L^p} + \|g\|_{L^p}

即:

∥f+g∥Lp(0,1)≤∥f∥Lp(0,1)+∥g∥Lp(0,1)\|f + g\|_{L^p(0, 1)} \le \|f\|_{L^p(0, 1)} + \|g\|_{L^p(0, 1)}

證畢。