Lp Normal in Dual Space

楼红卫老师原书中定理自己理解有误, 其分子为 ∫Rnf(x)g(x)  dx\displaystyle\int_{\mathbb{R}^n}{f(x)g(x)}\;\mathrm{d}\bm{x}, 可以不用加绝对值.只需要添加一个对应的符号函数项即可. 尽管一般的书里面写的是 ∥u∥L1(Ω)\|u\|_{L^1(\Omega)}的形式,而这个形式里面就有绝对值,所以自己才把这个搞混了.

定理陈述

我们可以通过HÖlder不等式得到 LpL^p中函数的模的另一种形式, 这一形式定义如下:

∥f∥p=sup⁡g∈Lq(Rn)∥g∥q≠0∫Rn∣f(x)g(x)∣  dx∥g∥q=sup⁡g∈Lq(Rn)∥g∥q=1∫Rn∣f(x)g(x)∣  dx\|f\|_p = \sup\limits_{\substack{g\in L^q(\mathbb{R}^n)\\ \|g\|_q\neq 0}} \frac{\displaystyle\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)g(x)|}\;\mathrm{d}\bm{x}}{\|g\|_q} = \sup\limits_{\substack{g\in L^q(\mathbb{R}^n)\\ \|g\|_q=1}}\displaystyle\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)g(x)|}\;\mathrm{d}\bm{x}

这里 p,q∈(1,+∞)p, q\in(1, +\infty)为对偶数. 这里仅证明第一个等号

证明

根据Holder不等式有:

RHS=sup⁡g∈Lq(Rn)∥g∥q≠0∫Rn∣f(x)g(x)∣  dx/∥g∥q≤sup⁡g∈Lq(Rn)∥g∥q≠0(∫Rn∣f(x)∣p  dx)1/p⋅(∫Rn∣g(x)∣q  dx)1/q/∥g∥q=∥f∥p⋅∥g∥q/∥g∥q=∥f∥p=LHS\begin{aligned} \text{RHS} & = \sup\limits_{\substack{g\in L^q(\mathbb{R}^n)\\ \|g\|_q\neq 0}} \displaystyle\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)g(x)|}\;\mathrm{d}\bm{x}\bigg/\|g\|_q\\ & \le \sup\limits_{\substack{g\in L^q(\mathbb{R}^n)\\ \|g\|_q\neq 0}} \left(\displaystyle\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)|^p}\;\mathrm{d}\bm{x}\right)^{1/p}\cdot \left(\displaystyle\int_{\mathbb{R}^n}{|g(x)|^q}\;\mathrm{d}\bm{x}\right)^{1/q}\bigg/\|g\|_q\\ & = \|f\|_p \cdot \|g\|_q \bigg/\|g\|_q \\ & = \|f\|_p = \text{LHS} \end{aligned}

然后选取一个特殊的 g(x)=g(0x)g(x) = g(_0x), 证明 LHS≤RHS\text{LHS}\le \text{RHS}, 这里取g0(x)=fp−1⋅sgn(f)g_0(x) = f^{p-1}\cdot \mathrm{sgn}(f) , 那么此时是我们有

∥g∥q=(∫Rn∣f(x)∣(p−1)q  dx)1/q=(∫Rn∣f(x)∣p  dx)1/q=(∫Rn∣f(x)∣p  dx)(1/p)⋅(p/q)=∥f∥pp−1\begin{aligned} \|g\|_q & = \left(\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)|^{(p-1)q}}\;\mathrm{d}\bm{x}\right)^{1/q} \\ & = \left(\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)|^{p}}\;\mathrm{d}\bm{x}\right)^{1/q} \\ & = \left(\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)|^{p}}\;\mathrm{d}\bm{x}\right)^{(1/p)\cdot(p/q)} \\ & = \|f\|_p^{p-1} \end{aligned}

那么此时对于RHS\text{RHS}有:

RHS≥∫Rn∣f(x)g0(x)∣  dx/∥g0∥q≥(∫Rn∣f(x)∣p  dx)(1/p)⋅p/∥g0∥q=∥f∥pp/∥f∥pp−1=∥f∥p=LHS\begin{aligned} \text{RHS} & \ge \int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)g_0(x)|}\;\mathrm{d}\bm{x}\bigg/\|g_0\|_q \\ & \ge \left(\int_{\mathbb{R}^n}{|f(x)|^p}\;\mathrm{d}\bm{x}\right)^{(1/p)\cdot p}\bigg/\|g_0\|_q \\ & = \|f\|_p^p\bigg/\|f\|_p^{p-1}\\ & = \|f\|_p = \text{LHS} \end{aligned}

因为 1/p+1/q=11/p+1/q = 1, 所以有 pq=p+q,p/q=p(1−1/p)=p−1pq=p+q, p/q=p(1-1/p)=p-1.

对偶空间

为何本篇文章的标题中要包含Dual Space ? 我们可以这样看, 假设 ∥f∥p\|f\|_p(g∈Lqg\in L^q)是一个定义在空间LqL^q(Lp,LqL^p, L^q互为对偶空间)上的线性泛函,那么此时泛函∥f∥p\|f\|_p可以看作一个线性算子,此时就回归到怎么定义线性算子模这一问题了. 此篇文章开头的 ff的模的定义正是把 ∥f∥p\|f\|_p看作一个线性算子时,算子范数的标准定义.

参考


Lp Normal in Dual Space
https://zongpingding.github.io/2024/05/16/Lp_Normal_In_Dual_Sapce/
Author
Eureka
Posted on
May 16, 2024
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