Ongelijkheid van Minkowski

De ongelijkheid van Minkowski - genoemd naar de Joods-Duitse wiskundige Hermann Minkowski - is een stelling in de functionaalanalyse die zegt dat in de L^p-ruimten de driehoeksongelijkheid geldt. Bijgevolg zijn deze ruimten genormeerde vectorruimten

Stelling

Laat ${\displaystyle S}$ een maatruimte zijn en ${\displaystyle 1\leq p\leq \infty }$. Voor de functies ${\displaystyle f,g\in L^{p}(S)}$ geldt dat ${\displaystyle f+g\in L^{p}(S)}$ en

${\displaystyle \|f+g\|_{p}\leq \|f\|_{p}+\|g\|_{p}.}$

Als ${\displaystyle 1<p<\infty }$ is er precies dan gelijkheid als ${\displaystyle f}$ en ${\displaystyle g}$ positief linear afhankelijk zijn (d.w.z ${\displaystyle f=\lambda \,g}$ voor een zekere ${\displaystyle \lambda \geq 0}$).

Bewijs

De ongelijkheid is triviaal voor ${\displaystyle p=1}$ en ${\displaystyle p=\infty }$. Zij nu ${\displaystyle 1<p<\infty }$. De afbeelding ${\displaystyle x\mapsto |x|^{p}}$ is een convexe functie, daarom is:

${\displaystyle |f+g|^{p}=2^{p}\cdot \left|{\tfrac {1}{2}}f+{\tfrac {1}{2}}g\right|^{p}\leq 2^{p-1}(|f|^{p}+|g|^{p}),}$

en dus is ${\displaystyle f+g\in L^{p}(S)}$.

Zonder verlies van algemeenheid kan verondersteld worden dat ${\displaystyle \|f+g\|_{p}>0}$. Er geldt dan:

${\displaystyle {\begin{aligned}|f+g|^{p}&=(|f+g|)(|f+g|)^{p-1}\\&\leq (|f|+|g|)(|f+g|)^{p-1}\\&=|f|\cdot |f+g|^{p-1}+|g|\cdot |f+g|^{p-1}\\\end{aligned}}}$

Laat ${\displaystyle q=p/(p-1)}$, dan is ${\displaystyle q}$ de geconjugeerde index van ${\displaystyle p}$, en is

${\displaystyle {\tfrac {1}{p}}+{\tfrac {1}{q}}=1}$

Volgens de ongelijkheid van Hölder is:

${\displaystyle {\begin{aligned}\|f+g\|_{p}^{p}=\int _{S}|f+g|^{p}&\leq \int _{S}\left(|f|\cdot |f+g|^{p-1}\right)+\int _{S}\left(|g|\cdot |f+g|^{p-1}\right)\\&\leq \|f\|_{p}\cdot \||f+g|^{p-1}\|_{q}+\|g\|_{p}\cdot \||f+g|^{p-1}\|_{q}\\[.2em]&=(\|f\|_{p}+\|g\|_{p})\cdot \||f+g|^{p-1}\|_{q}\\&=(\|f\|_{p}+\|g\|_{p})\cdot \left(\int _{S}|f+g|^{(p-1)\cdot {\frac {p}{p-1}}}\right)^{1-{\frac {1}{p}}}\\&=(\|f\|_{p}+\|g\|_{p})\cdot {\frac {\int _{S}|f+g|^{p}}{\left(\int _{S}|f+g|^{p}\right)^{\frac {1}{p}}}}\\&=(\|f\|_{p}+\|g\|_{p})\cdot {\frac {\|f+g\|_{p}^{p}}{\|f+g\|_{p}}}\\\end{aligned}}}$

Na vermenigvuldiging van beide zijden met ${\displaystyle \|f+g\|_{p}/\|f+g\|_{p}^{p}}$ volgt hieruit de ongelijkheid van Minkowski.

Speciaal geval

Voor het speciale geval van eindige rijen ${\displaystyle (x_{1},\ldots ,x_{n}),(y_{1},\ldots ,y_{n})}$ van reële of complexe getallen, met als maat de telmaat, ziet de ongelijkheid er als volgt uit:

${\displaystyle \left(\sum _{k=1}^{n}|x_{k}+y_{k}|^{p}\right)^{1/p}\leq \left(\sum _{k=1}^{n}|x_{k}|^{p}\right)^{1/p}+\left(\sum _{k=1}^{n}|y_{k}|^{p}\right)^{1/p}}$

Dit is de driehoeksongelijkheid voor de p-norm.

Ook voor oneindige rijen ${\displaystyle {(x_{n})}_{n},{(y_{n})}_{n}}$ kan de ongelijkheid geformuleerd worden:

${\displaystyle \left(\sum _{k=1}^{\infty }|x_{k}+y_{k}|^{p}\right)^{1/p}\leq \left(\sum _{k=1}^{\infty }|x_{k}|^{p}\right)^{1/p}+\left(\sum _{k=1}^{\infty }|y_{k}|^{p}\right)^{1/p}}$

Literatuur

• Herbert Amann, Joachim Escher: Analysis III. 1. Auflage. Birkhäuser-Verlag Basel Boston Berlin, 2001, ISBN 3-7643-6613-3