Minkowski 不等式是 Lp 空间中的三角不等式:
∥f+g∥p≤∥f∥p+∥g∥p,1≤p≤∞.
把 f,g 看成函数空间中的两条向量,f+g 是平行四边形的对角线。Minkowski 不等式说明:对角线的“长度”不超过两边长度之和。
一、共轭指数与 Young 不等式
若 p,q>1 且
p1+q1=1,
则称 (p,q) 为共轭指数,并约定 (1,∞) 与 (∞,1) 也互为共轭指数。对 p>1,其共轭指数为
q=p−1p.
当 a=0 或 b=0 时结论成立。以下设 ab>0,令 x=a/b>0。两端同除以 b,原不等式等价于
x1/p≤px+1−p1.
令
φ(x):=px+1−p1−x1/p.
则
φ′(x)=p1(1−x1/p−1).
由于 1/p−1<0,函数 φ 在 (0,1) 上递减,在 (1,∞) 上递增,并在 x=1 处取得最小值 0。故 Young 不等式成立,且 a,b>0 时取等当且仅当 a=b。
令 a=up,b=vq,可得到常用形式
uv≤pup+qvq.
二、Hölder 不等式
1. 端点情形
若 (p,q)=(∞,1),则几乎处处有 ∣f(x)∣≤∥f∥∞,从而
∥fg∥1=∫E∣fg∣dx≤∥f∥∞∫E∣g∣dx=∥f∥∞∥g∥1.
(p,q)=(1,∞) 同理。
2. 有限指数情形:归一化
若 ∥f∥p=0 或 ∥g∥q=0,则对应函数几乎处处为零。以下设两范数均非零,并令
f=∥f∥pf,g=∥g∥qg.
于是 ∥f∥p=∥g∥q=1。逐点应用 Young 不等式,
∣fg∣≤p1∣f∣p+q1∣g∣q.
积分得到
∫E∣fg∣dx≤p1+q1=1.
而
∥fg∥1=∥f∥p∥g∥q∥fg∥1,
所以 Hölder 不等式得证。
三、Minkowski 不等式
1. p=1
由点态三角不等式、积分单调性与线性性,
∥f+g∥1=∫E∣f+g∣dx≤∫E(∣f∣+∣g∣)dx=∥f∥1+∥g∥1.
2. p=∞
几乎处处有
∣f(x)+g(x)∣≤∣f(x)∣+∣g(x)∣≤∥f∥∞+∥g∥∞.
对左端取本质上确界,得到结论。
3. 1<p<∞
令
h:=f+g,q:=p−1p.
先由
∣f+g∣p≤2p−1(∣f∣p+∣g∣p)
确认 h∈Lp(E)。这一步不能偷用尚未证明的 Minkowski 不等式,否则会形成循环论证。
由点态三角不等式,
∥h∥pp=∫E∣h∣∣h∣p−1dx≤∫E∣f∣∣h∣p−1dx+∫E∣g∣∣h∣p−1dx.
因为 (p−1)q=p,所以
∣h∣p−1q=(∫E∣h∣(p−1)qdx)1/q=(∫E∣h∣pdx)1/q=∥h∥pp/q=∥h∥pp−1.
对两个积分分别应用 Hölder 不等式,
∫E∣f∣∣h∣p−1dx≤∥f∥p∥h∥pp−1,
∫E∣g∣∣h∣p−1dx≤∥g∥p∥h∥pp−1.
因此
∥h∥pp≤(∥f∥p+∥g∥p)∥h∥pp−1.
最终得到
∥f+g∥p≤∥f∥p+∥g∥p.
四、取等条件
当 1<p,q<∞ 且 f,g 均非零时,Hölder 取等当且仅当存在 c>0 使
∣f∣p=c∣g∣qa.e.
当 1<p<∞ 时,Minkowski 对非零函数取等当且仅当存在常数 λ>0 使
f=λga.e.
实值情形意味着二者几乎处处同号且比例固定;复值情形还要求相位一致。
当 p=1 时,取等条件较宽:
∣f+g∣=∣f∣+∣g∣a.e.
对实值函数,这等价于 fg≥0 几乎处处,比例不必固定。p=∞ 时,取等由本质上确界附近的共同近极大与同向性决定,不能简单归结为全局正比例。
五、与 Lp 赋范和完备性的关系
正定性来自“非负函数积分为零则几乎处处为零”,齐次性来自积分和本质上确界的缩放性质,三角不等式正是 Minkowski 不等式。因此 ∥⋅∥p 是范数。
令 f=(f−g)+g 并应用 Minkowski,还可立即得到反三角不等式
∥f∥p−∥g∥p≤∥f−g∥p.
因此范数映射是 1-Lipschitz 连续的。
六、方法提炼:一题通一类
常见变体
- 把积分换成求和,得到 ℓp 中的 Minkowski 不等式;
- 迭代二项形式,得到有限和的三角不等式;
- 用 Minkowski 推出反三角不等式与范数连续性;
- 研究积分型 Minkowski 不等式;
- 由取等条件理解 1<p<∞ 时 Lp 范数的严格凸性。
七、变式练习
八、前置知识与延伸阅读
- 可积性的两个重要推论:复习 L1 积分控制;
- 后续可继续学习 Lp 空间的完备性、严格凸性、对偶空间以及 Minkowski 积分不等式。