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 を、二つの数列それぞれの「大きさ」——共役な ℓp ノルムと ℓq ノルムで測ったもの——で抑える。p=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(ℓp 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>1 を共役指数 p1+q1=1 とし、a1,…,an と b1,…,bn を実数(または複素数)とする。このとき
i=1∑n∣aibi∣≤(i=1∑n∣ai∣p)1/p(i=1∑n∣bi∣q)1/q.(1)
∑iaibi≤∑i∣aibi∣ 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 ab を ap/p+bq/q で抑える。これを i について和をとれば ∑∣aibi∣≤p1∑∣ai∣p+q1∑∣bi∣q が得られる——惜しいが、右辺は二つのノルムの積ではなく和になっている。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 1 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=1∑n∣ai∣p)1/p,B:=(i=1∑n∣bi∣q)1/q.
退化した場合. A=0 ならばすべての ai=0 だから (1) の左辺は 0 となり、不等式は自明に成り立つ。B=0 の場合も同様だ。以下では A,B>0 とする。
正規化. 拡大縮小した量を
αi:=A∣ai∣,βi:=B∣bi∣
と定義する。構成からこれらは単位 p-ノルム・q-ノルムをもつ。
i=1∑nαip=Ap1i=1∑n∣ai∣p=1,i=1∑nβiq=Bq1i=1∑n∣bi∣q=1.(2)
各項にヤングを適用. 各 i について、非負の数 αi,βi にヤングの不等式を適用すると
αiβi≤pαip+qβiq.
i=1,…,n について和をとり、(2) を使うと
i=1∑nαiβi≤p1i=1∑nαip+q1i=1∑nβiq=p1+q1=1.
拡大縮小を元に戻す. 左辺は AB1∑i∣aibi∣ だから、全体に AB を掛けると
i=1∑n∣aibi∣≤AB=(i=1∑n∣ai∣p)1/p(i=1∑n∣bi∣q)1/q
が得られる。□
特別な場合としてのコーシー・シュワルツ
p=q=2(21+21=1 だから共役だ)とおくと、(1) は
i=1∑n∣aibi∣≤(i=1∑nai2)1/2(i=1∑nbi2)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,q に対して ∑i∣aibi∣≤(∑i∣ai∣p)1/p(∑i∣bi∣q)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/p と 1/q になり、これらの和がちょうど 1 になる。
- コーシー・シュワルツは p=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。