Minkowski 不等式是 LpL^p 空间中的三角不等式:

f+gpfp+gp,1p.\boxed{\lVert f+g\rVert_p\leq\lVert f\rVert_p+\lVert g\rVert_p}, \qquad 1\leq p\leq\infty.

f,gf,g 看成函数空间中的两条向量,f+gf+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

p,q>1p,q>1

1p+1q=1,\frac1p+\frac1q=1,

则称 (p,q)(p,q) 为共轭指数,并约定 (1,)(1,\infty)(,1)(\infty,1) 也互为共轭指数。对 p>1p>1,其共轭指数为

q=pp1.q=\frac{p}{p-1}.

a=0a=0b=0b=0 时结论成立。以下设 ab>0ab>0,令 x=a/b>0x=a/b>0。两端同除以 bb,原不等式等价于

x1/pxp+11p.x^{1/p}\leq\frac{x}{p}+1-\frac1p.

φ(x):=xp+11px1/p.\varphi(x):=\frac{x}{p}+1-\frac1p-x^{1/p}.

φ(x)=1p(1x1/p1).\varphi'(x)=\frac1p\left(1-x^{1/p-1}\right).

由于 1/p1<01/p-1<0,函数 φ\varphi(0,1)(0,1) 上递减,在 (1,)(1,\infty) 上递增,并在 x=1x=1 处取得最小值 00。故 Young 不等式成立,且 a,b>0a,b>0 时取等当且仅当 a=ba=b

a=up,b=vqa=u^p,b=v^q,可得到常用形式

uvupp+vqq.\boxed{uv\leq\frac{u^p}{p}+\frac{v^q}{q}}.

二、Hölder 不等式

1. 端点情形

(p,q)=(,1)(p,q)=(\infty,1),则几乎处处有 f(x)f|f(x)|\leq\lVert f\rVert_\infty,从而

fg1=EfgdxfEgdx=fg1.\begin{aligned} \lVert fg\rVert_1 &=\int_E|fg|\,dx\\ &\leq\lVert f\rVert_\infty\int_E|g|\,dx =\lVert f\rVert_\infty\lVert g\rVert_1. \end{aligned}

(p,q)=(1,)(p,q)=(1,\infty) 同理。

2. 有限指数情形:归一化

fp=0\lVert f\rVert_p=0gq=0\lVert g\rVert_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~=ffp,g~=ggq.\widetilde f=\frac{f}{\lVert f\rVert_p}, \qquad \widetilde g=\frac{g}{\lVert g\rVert_q}.

于是 f~p=g~q=1\lVert\widetilde f\rVert_p=\lVert\widetilde g\rVert_q=1。逐点应用 Young 不等式,

f~g~1pf~p+1qg~q.|\widetilde f\widetilde g| \leq\frac1p|\widetilde f|^p+\frac1q|\widetilde g|^q.

积分得到

Ef~g~dx1p+1q=1.\int_E|\widetilde f\widetilde g|\,dx \leq\frac1p+\frac1q=1.

f~g~1=fg1fpgq,\lVert\widetilde f\widetilde g\rVert_1 =\frac{\lVert fg\rVert_1}{\lVert f\rVert_p\lVert g\rVert_q},

所以 Hölder 不等式得证。

三、Minkowski 不等式

1. p=1p=1

由点态三角不等式、积分单调性与线性性,

f+g1=Ef+gdxE(f+g)dx=f1+g1.\begin{aligned} \lVert f+g\rVert_1 &=\int_E|f+g|\,dx\\ &\leq\int_E(|f|+|g|)\,dx\\ &=\lVert f\rVert_1+\lVert g\rVert_1. \end{aligned}

2. p=p=\infty

几乎处处有

f(x)+g(x)f(x)+g(x)f+g.|f(x)+g(x)| \leq|f(x)|+|g(x)| \leq\lVert f\rVert_\infty+\lVert g\rVert_\infty.

对左端取本质上确界,得到结论。

3. 1<p<1<p<\infty

h:=f+g,q:=pp1.h:=f+g, \qquad q:=\frac{p}{p-1}.

先由

f+gp2p1(fp+gp)|f+g|^p\leq2^{p-1}(|f|^p+|g|^p)

确认 hLp(E)h\in L^p(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,

hpp=Ehhp1dxEfhp1dx+Eghp1dx.\begin{aligned} \lVert h\rVert_p^p &=\int_E|h|\,|h|^{p-1}\,dx\\ &\leq \int_E|f|\,|h|^{p-1}\,dx +\int_E|g|\,|h|^{p-1}\,dx. \end{aligned}

因为 (p1)q=p(p-1)q=p,所以

hp1q=(Eh(p1)qdx)1/q=(Ehpdx)1/q=hpp/q=hpp1.\begin{aligned} \bigl\lVert|h|^{p-1}\bigr\rVert_q &=\left(\int_E|h|^{(p-1)q}\,dx\right)^{1/q}\\ &=\left(\int_E|h|^p\,dx\right)^{1/q}\\ &=\lVert h\rVert_p^{p/q} =\lVert h\rVert_p^{p-1}. \end{aligned}

对两个积分分别应用 Hölder 不等式,

Efhp1dxfphpp1,\int_E|f|\,|h|^{p-1}\,dx \leq\lVert f\rVert_p\lVert h\rVert_p^{p-1}, Eghp1dxgphpp1.\int_E|g|\,|h|^{p-1}\,dx \leq\lVert g\rVert_p\lVert h\rVert_p^{p-1}.

因此

hpp(fp+gp)hpp1.\lVert h\rVert_p^p \leq \bigl(\lVert f\rVert_p+\lVert g\rVert_p\bigr) \lVert h\rVert_p^{p-1}.

最终得到

f+gpfp+gp.\boxed{\lVert f+g\rVert_p\leq\lVert f\rVert_p+\lVert g\rVert_p}.

四、取等条件

1<p,q<1<p,q<\inftyf,gf,g 均非零时,Hölder 取等当且仅当存在 c>0c>0 使

fp=cgqa.e.|f|^p=c|g|^q \qquad\text{a.e.}

1<p<1<p<\infty 时,Minkowski 对非零函数取等当且仅当存在常数 λ>0\lambda>0 使

f=λga.e.f=\lambda g\qquad\text{a.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。

p=1p=1 时,取等条件较宽:

f+g=f+ga.e.|f+g|=|f|+|g|\qquad\text{a.e.}

对实值函数,这等价于 fg0fg\geq0 几乎处处,比例不必固定。p=p=\infty 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 LpL^p 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\lVert\cdot\rVert_p 是范数。

f=(fg)+gf=(f-g)+g 并应用 Minkowski,还可立即得到反三角不等式

fpgpfgp.\boxed{ \bigl|\lVert f\rVert_p-\lVert g\rVert_p\bigr| \leq\lVert f-g\rVert_p }.

因此范数映射是 11-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 p\ell^p 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<1<p<\inftyLpL^p 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 L1L^1 积分控制;
  • 后续可继续学习 LpL^p 空间的完备性、严格凸性、对偶空间以及 Minkowski 积分不等式。