ミンコフスキーの不等式

Proof
最終更新: タグ: 証明, 不等式

ℓp\ell^p ノルムがノルムの名に値するためには、三角不等式を満たさなければならない。すなわち、和の長さは長さの和以下でなければならない。この主張がミンコフスキーの不等式であり、これこそが ℓp\ell^p を真のノルム空間にする性質だ。証明は巧妙な分割と、それに続くヘルダーの不等式の一度の適用からなる。

定理

p≥1p \geq 1 に対して、有限数列の ℓp\ell^p ノルムを ∥a∥p≔(∑i∣ai∣p)1/p\|a\|_p \coloneqq \big(\sum_i |a_i|^p\big)^{1/p} と書く。

定理(ミンコフスキーの不等式). p≥1p \geq 1 とし、a1,…,ana_1, \ldots, a_n と b1,…,bnb_1, \ldots, b_n を実数(または複素数)とする。このとき

(∑i=1n∣ai+bi∣p)1/p  ≤  (∑i=1n∣ai∣p)1/p+(∑i=1n∣bi∣p)1/p,(1)\left(\sum_{i=1}^{n} |a_i + b_i|^{p}\right)^{1/p} \;\leq\; \left(\sum_{i=1}^{n} |a_i|^{p}\right)^{1/p} + \left(\sum_{i=1}^{n} |b_i|^{p}\right)^{1/p}, \tag{1}

すなわち ∥a+b∥p≤∥a∥p+∥b∥p\|a + b\|_p \leq \|a\|_p + \|b\|_p だ。

易しい二つの指数

p=1p = 1 の場合. 不等式 (1)(1) は通常の三角不等式を各項について和をとっただけだ。∣ai+bi∣≤∣ai∣+∣bi∣|a_i + b_i| \leq |a_i| + |b_i| なので ∑i∣ai+bi∣≤∑i∣ai∣+∑i∣bi∣\sum_i |a_i + b_i| \leq \sum_i |a_i| + \sum_i |b_i| となる。

そこで残りは p>1p > 1 と仮定し、その共役指数を q=pp−1q = \dfrac{p}{p-1} とする。すると (p−1)q=p(p-1)q = p かつ 1p+1q=1\dfrac{1}{p} + \dfrac{1}{q} = 1 だ。

p>1p > 1 の場合の証明:分割してヘルダーを適用

S≔∑i=1n∣ai+bi∣pS \coloneqq \sum_{i=1}^{n} |a_i + b_i|^{p} とおく。S=0S = 0 なら (1)(1) の両辺が 00 なので S>0S > 0 と仮定する。

べき乗を分割する. ∣ai+bi∣|a_i + b_i| の因子を一つ前に出し、三角不等式 ∣ai+bi∣≤∣ai∣+∣bi∣|a_i + b_i| \leq |a_i| + |b_i| で抑える。

∣ai+bi∣p=∣ai+bi∣ ⋅ ∣ai+bi∣p−1  ≤  ∣ai∣ ∣ai+bi∣p−1+∣bi∣ ∣ai+bi∣p−1.|a_i + b_i|^{p} = |a_i + b_i|\,\cdot\,|a_i + b_i|^{p-1} \;\leq\; |a_i|\,|a_i + b_i|^{p-1} + |b_i|\,|a_i + b_i|^{p-1}.

ii について和をとると、

S  ≤  ∑i=1n∣ai∣ ∣ai+bi∣p−1⏟(I)  +  ∑i=1n∣bi∣ ∣ai+bi∣p−1⏟(II).(2)S \;\leq\; \underbrace{\sum_{i=1}^{n} |a_i|\,|a_i + b_i|^{p-1}}_{(\mathrm{I})} \;+\; \underbrace{\sum_{i=1}^{n} |b_i|\,|a_i + b_i|^{p-1}}_{(\mathrm{II})}. \tag{2}

各部分にヘルダーを適用. (I)(\mathrm{I}) を数列 (∣ai∣)(|a_i|) と (∣ai+bi∣p−1)(|a_i + b_i|^{p-1}) の組とみなし、指数 pp と qq でヘルダーの不等式を適用する。

(I)  ≤  (∑i=1n∣ai∣p)1/p(∑i=1n∣ai+bi∣(p−1)q)1/q.(\mathrm{I}) \;\leq\; \left(\sum_{i=1}^{n} |a_i|^{p}\right)^{1/p} \left(\sum_{i=1}^{n} |a_i + b_i|^{(p-1)q}\right)^{1/q}.

(p−1)q=p(p-1)q = p なので、第二因子は (∑i∣ai+bi∣p)1/q=S1/q\big(\sum_i |a_i + b_i|^{p}\big)^{1/q} = S^{1/q} だ。ゆえに

(I)  ≤  ∥a∥p S1/q,同様に(II)  ≤  ∥b∥p S1/q.(\mathrm{I}) \;\leq\; \|a\|_p \, S^{1/q}, \qquad\text{同様に}\qquad (\mathrm{II}) \;\leq\; \|b\|_p \, S^{1/q}.

まとめる. 両方の評価を (2)(2) に代入すると、

S  ≤  (∥a∥p+∥b∥p) S1/q.S \;\leq\; \big(\|a\|_p + \|b\|_p\big)\, S^{1/q}.

S>0S > 0 だから両辺を S1/qS^{1/q} で割る。1−1q=1p1 - \dfrac{1}{q} = \dfrac{1}{p} を使うと、

S1/p=S 1−1/q  ≤  ∥a∥p+∥b∥p,S^{1/p} = S^{\,1 - 1/q} \;\leq\; \|a\|_p + \|b\|_p,

となり、これはちょうど (1)(1) だ。□\square

なぜこれが重要か

ミンコフスキーの不等式は ℓp\ell^p ノルムの三角不等式だ。これと、易しい事実 ∥a∥p≥0\|a\|_p \geq 0(等号は零数列のときのみ)および ∥λa∥p=∣λ∣ ∥a∥p\|\lambda a\|_p = |\lambda|\,\|a\|_p を合わせると、∥⋅∥p\|\cdot\|_p が真のノルムであること——したがって任意の p≥1p \geq 1 について ℓp\ell^p がノルムベクトル空間であること——が保証される。同じ論証で、和を積分に置き換えれば LpL^p 関数空間に対するミンコフスキーの不等式が得られる。

まとめ

  • ミンコフスキーの不等式:p≥1p \geq 1 に対して ∥a+b∥p≤∥a∥p+∥b∥p\|a + b\|_p \leq \|a\|_p + \|b\|_p——ℓp\ell^p ノルムの三角不等式だ。
  • p=1p = 1 の場合は各項ごとの三角不等式であり、本質的な作業は p>1p > 1 にある。
  • p>1p > 1 の場合の証明:∣ai+bi∣p=∣ai+bi∣⋅∣ai+bi∣p−1|a_i + b_i|^p = |a_i + b_i|\cdot|a_i + b_i|^{p-1} と分割し、第一因子を ∣ai∣+∣bi∣|a_i| + |b_i| で抑え、得られた各和にヘルダーの不等式を適用する。指数の等式 (p−1)q=p(p-1)q = p により残りの因子が S1/qS^{1/q} に潰れる。
  • 帰結:∥⋅∥p\|\cdot\|_p はノルムなので、ℓp\ell^p(および LpL^p)はノルム空間だ。