ヘルダーの不等式

Proof
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前提知識

ヘルダーの不等式は、二つの数列を組にして扱うときの主力となる評価だ。積の和 aibi\sum a_i b_i を、二つの数列それぞれの「大きさ」——共役な p\ell^p ノルムと q\ell^q ノルムで測ったもの——で抑える。p=q=2p = q = 2 とすればコーシー・シュワルツの不等式が得られ、一般の場合はミンコフスキーの不等式p\ell^p の三角不等式)を証明可能にするものだ。すべてはヤングの不等式を一項ずつ適用することに帰着する。

定理

定理(ヘルダーの不等式). p,q>1p, q > 1 を共役指数 1p+1q=1\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{q} = 1 とし、a1,,ana_1, \ldots, a_nb1,,bnb_1, \ldots, b_n を実数(または複素数)とする。このとき

i=1naibi    (i=1naip)1/p(i=1nbiq)1/q.(1)\sum_{i=1}^{n} |a_i b_i| \;\leq\; \left(\sum_{i=1}^{n} |a_i|^{p}\right)^{1/p} \left(\sum_{i=1}^{n} |b_i|^{q}\right)^{1/q}. \tag{1}

iaibiiaibi\big|\sum_i a_i b_i\big| \leq \sum_i |a_i b_i| だから、同じ評価が内積の絶対値も抑える。

着想:正規化してから各項にヤングを適用する

ヤングの不等式は一つの積 ababap/p+bq/qa^p/p + b^q/q で抑える。これを ii について和をとれば aibi1paip+1qbiq\sum |a_i b_i| \leq \tfrac{1}{p}\sum|a_i|^p + \tfrac{1}{q}\sum|b_i|^q が得られる——惜しいが、右辺は二つのノルムのではなくになっている。これを直すには、まず各数列を単位ノルムになるよう拡大縮小する。そこではべき乗の和が 11 に潰れるので、最後にその拡大縮小を元に戻せばよい。

証明

次のようにおく。

A(i=1naip)1/p,B(i=1nbiq)1/q.A \coloneqq \left(\sum_{i=1}^{n} |a_i|^{p}\right)^{1/p}, \qquad B \coloneqq \left(\sum_{i=1}^{n} |b_i|^{q}\right)^{1/q}.

退化した場合. A=0A = 0 ならばすべての ai=0a_i = 0 だから (1)(1) の左辺は 00 となり、不等式は自明に成り立つ。B=0B = 0 の場合も同様だ。以下では A,B>0A, B > 0 とする。

正規化. 拡大縮小した量を

αiaiA,βibiB\alpha_i \coloneqq \frac{|a_i|}{A}, \qquad \beta_i \coloneqq \frac{|b_i|}{B}

と定義する。構成からこれらは単位 pp-ノルム・qq-ノルムをもつ。

i=1nαip  =  1Api=1naip  =  1,i=1nβiq  =  1Bqi=1nbiq  =  1.(2)\sum_{i=1}^{n} \alpha_i^{p} \;=\; \frac{1}{A^{p}}\sum_{i=1}^{n} |a_i|^{p} \;=\; 1, \qquad \sum_{i=1}^{n} \beta_i^{q} \;=\; \frac{1}{B^{q}}\sum_{i=1}^{n} |b_i|^{q} \;=\; 1. \tag{2}

各項にヤングを適用.ii について、非負の数 αi,βi\alpha_i, \beta_i にヤングの不等式を適用すると

αiβi    αipp+βiqq.\alpha_i \beta_i \;\leq\; \frac{\alpha_i^{p}}{p} + \frac{\beta_i^{q}}{q}.

i=1,,ni = 1, \ldots, n について和をとり、(2)(2) を使うと

i=1nαiβi    1pi=1nαip+1qi=1nβiq  =  1p+1q  =  1.\sum_{i=1}^{n} \alpha_i \beta_i \;\leq\; \frac{1}{p}\sum_{i=1}^{n}\alpha_i^{p} + \frac{1}{q}\sum_{i=1}^{n}\beta_i^{q} \;=\; \frac{1}{p} + \frac{1}{q} \;=\; 1.

拡大縮小を元に戻す. 左辺は 1ABiaibi\dfrac{1}{AB}\sum_i |a_i b_i| だから、全体に ABAB を掛けると

i=1naibi    AB  =  (i=1naip)1/p(i=1nbiq)1/q\sum_{i=1}^{n} |a_i b_i| \;\leq\; AB \;=\; \left(\sum_{i=1}^{n} |a_i|^{p}\right)^{1/p}\left(\sum_{i=1}^{n} |b_i|^{q}\right)^{1/q}

が得られる。\square

特別な場合としてのコーシー・シュワルツ

p=q=2p = q = 212+12=1\tfrac{1}{2} + \tfrac{1}{2} = 1 だから共役だ)とおくと、(1)(1)

i=1naibi    (i=1nai2)1/2(i=1nbi2)1/2\sum_{i=1}^{n} |a_i b_i| \;\leq\; \left(\sum_{i=1}^{n} a_i^{2}\right)^{1/2}\left(\sum_{i=1}^{n} b_i^{2}\right)^{1/2}

となり、コーシー・シュワルツの不等式になる。つまりヘルダーはその一パラメータ一般化だ。

まとめ

  • ヘルダーの不等式:共役な p,qp, q に対して iaibi(iaip)1/p(ibiq)1/q\sum_i |a_i b_i| \leq \big(\sum_i |a_i|^p\big)^{1/p}\big(\sum_i |b_i|^q\big)^{1/q}
  • 三つの手順による証明:各数列を単位ノルムに正規化し、ヤングの不等式を各項に適用し、最後に拡大縮小の係数を掛け戻す。
  • 正規化が効く理由:単位ノルムではべき乗の和が 1/p1/p1/q1/q になり、これらの和がちょうど 11 になる。
  • コーシー・シュワルツp=q=2p = q = 2 の場合だ。
  • ヘルダーはミンコフスキーの不等式の証明における鍵となる材料だ。