Mathematics

Lp Spaces

$L^p$ Spaces Normed Linear Spaces 노음선형공간 이 장을 시작하기에 앞서, 집합 $E$는 실수 집합의 가측부분집합이고 집합족 $\mathcal{F}$는 $E$에서의 모든 유한(a.e. on E), 가측 실함수들의 모임으로 가정하자. Def 함수간의 동치관계 만약 집합 E에서의 함수 $f,g$ 가 E의 거의 모든점(almost everywhere)에서 같다면 $f...

2021. 12. 10.4 min read

LpL^p Spaces

Normed Linear Spaces노음선형공간

이 장을 시작하기에 앞서, 집합 EE는 실수 집합의 가측부분집합이고 집합족 F\mathcal{F}EE에서의 모든 유한(a.e. on E), 가측 실함수들의 모임으로 가정하자.

Def 함수간의 동치관계

만약 집합 E에서의 함수 f,gf,g 가 E의 거의 모든점(almost everywhere)에서 같다면 f,gf,g를 동치equivalent 라고 하며,

fgf \cong g

로 표기한다.

이때 위 동치관계는 함수족 F\mathcal{F} 를 분할하므로 (동치관계의 성질) 동치류equivalence classes 들을 정의할 수 있다.

Def 동치류의 모임 [f]=Lp(E)[f] = L^p(E) 를 다음과 같이 정의한다.

Efp<wherep[1,) \int_E\vert f\vert ^p < \infty \quad where \quad p \in [1,\infty)

이때,

a+b2max[a,b]a+bp2pmax[a,b] \vert a+b\vert \leq 2\max[\vert a\vert ,\vert b\vert ] \\ \vert a+b\vert ^p \leq 2^p\max[\vert a\vert ,\vert b\vert ]

임을 이용하면, 임의의 동치류 [f],[g]Lp(E)[f],[g] \in L^p(E) 와 임의의 실수 α,βR\alpha,\beta \in \mathbb{R} 에 대해 α[f]+β[g]\alpha[f]+\beta[g]Lp(E)L^p(E) 의 원소임을 알 수 있다.

Ef+gpE2pfp<\int_E\vert f+g\vert ^p\leq \int_E 2^p\vert f\vert ^p < \infty 이고, 스칼라곱에 대해서는 적분의 선형성으로부터 성립.

따라서, LpL^p 공간은 선형공간임을 알 수 있다.

Def Essentially Bounded 함수 fFf \in \mathcal{F} 에 대해 M0M\geq 0 이 존재하여 E의 거의 모든 점(a.e.)에서 f(x)M\vert f(x)\vert \leq M 일 때, 함수 ffessentially bounded 하다고 정의한다. (한국어로 어떻게 정확히 번역해야 하는지를 찾기가 어려웠다.)

이와 관련하여 우리는 LpL^p 공간에서 pp가 무한대일 때, 즉 L(E)L^\infty(E) 인 경우는 적분으로 정의하지 않고, essentially bounded한 동치류 [ff] 들의 모임으로 정의한다.

노음(Norm)

선형공간 X에서 정의되는 실함수 :XR\Vert \cdot \Vert : X \to \mathbb{R} 가 다음을 만족할 때 이를 노음이라고 정의한다.

임의의 함수 f,gXf,g \in X, 실수 αR\alpha \in \mathbb{R} 에 대해:
(N1) f+gf+g\Vert f+g \Vert \leq \Vert f \Vert + \Vert g \Vert
(N2) αf=αf\Vert\alpha f\Vert = \vert \alpha\vert \cdot \Vert f \Vert
(N3) f0\Vert f \Vert \geq 0 이고 f=0ifff=0\Vert f \Vert = 0 \quad \text{iff} \quad f=0

노음이 정의된 선형공간 X를 노음선형공간이라고 하고, 노음이 1인 함수를 X에서의 단위함수(unit function) 라고 한다.

예시)

  • L1(E)L^1(E) 공간에서 f1=Ef\Vert f \Vert_1 = \int_E \vert f\vert 로 정의된 함수는 노음이다. (적분의 선형성, 단조성으로부터 자명)
  • L(E)L^\infty(E) 공간에서 f=inf[essential upper bounds]\Vert f \Vert_\infty = \inf[\text{essential upper bounds}] 로 정의된 함수는 노음이다.

후술하는 내용에서는 일반성을 잃지 않고 LpL^p 공간에서의 노음을

fp=[Efp]1/p \Vert f \Vert_p = [\int_E\vert f\vert ^p]^{1/p}

로 정의하기로 한다.

L^p 공간에서의 주요한 부등식

우선, 앞서 정의한 LpL^p 공간의 노음이 (N1)-(N3) 을 만족하는지를 살펴보자.

  • (N1) 증명 필요 \cdots Minkowski의 부등식
  • (N2) 적분의 스칼라곱으로부터 자명하다.
  • (N3) 체비셰프의 부등식 로부터 적분값이 0인 것과 함수가 거의 모든 점에서 0인 것은 동치임을 확인 할 수 있었고, 이로부터 N3가 성립함을 알 수 있다.

따라서, 우리는 노음의 요건 중 삼각부등식(N1) 이 성립하는지만 확인하면 된다.

영의 부등식Young's Inequality

실수 p(1,)p \in (1,\infty) 에 대해 qqpp의 켤레수conjugate 라고 하자. 이때 임의의 양의 실수 a,ba,b에 대해 다음이 성립한다.

abapp+bqb ab \leq \frac{a^p}{p}+\frac{b^q}{b}

*켤레수 : 1/p+1/q=11/p + 1/q = 1 을 만족하는 수를 말한다.

pf. 주어진 p,q 에 대해 다항함수

g(x)=xpp+1qxg(x) = \frac{x^p}{p}+\frac{1}{q}-x

를 생각하자. 이때 도함수 gg'(1,)(1,\infty) 에서 0보다 크고 x=1x=1에서 0이며, (0,1)(0,1) 에서는 0보다 작은 것을 확인할 수 있으므로,
g(0)0g(0)\geq 0 으로부터 g0 on (0,)g \geq 0 \text{ on } (0,\infty) 이다.
따라서, x0x\geq 0 일때 xxp/p+1/qx \leq x^p/p+1/q 이므로 x=a/bq1x = a/b^{q-1} 을 대입하면 부등식이 성립한다.

횔더 부등식Holder's Inequality

켤레수 p,qp,q 와 두 함수 fLp(E)f \in L^p(E), gLq(E)g \in L^q(E) 에 대해:

  1. fgf\cdot g 는 적분가능하고
    Efgfpgq\int_E\vert f \cdot g\vert \leq \Vert f\Vert_p\cdot\Vert g\Vert_q 이다.

  2. f0f \neq 0 일 때, f=fp1psgn(f)fq1f^{\ast}=\Vert f\Vert_p^{1-p}\cdot sgn(f) \cdot \vert f\vert ^{q-1} 로 정의하면 fLq(X,μ)f^{\ast} \in L^q(X,\mu) 이고 Eff=fp\int_Ef\cdot f^{\ast} = \Vert f\Vert_p 이며 fq=1\Vert f^{\ast} \Vert_q =1 이다.

(p=1p=1 일 때)
f\Vert f \Vert_\infty 가 E에서 ff의 essential upper bound 이므로,

Efgf1g \int_E\vert f\cdot g\vert \leq \Vert f\Vert_1\cdot\Vert g\Vert_\infty

이고, f=sgn(f)f^{\ast}=\rm{sgn}(f) 이므로 2도 성립한다.

(p>1p>1 일 때)

함수 f,gf,g가 0이 아니라고 가정하자.(0일때는 자명함) 이때, 일반성을 잃지 않고 fp=gp=1\Vert f \Vert_p = \Vert g\Vert_p = 1이라고 하자.(1이 아닌 경우는 함수를 노음으로 나누어 unit function으로 만들자.)
f,gf,g 가 적분가능하므로 E의 거의 모든 점에서 유한하고, 영의 부등식에 의해 E의 거의 모든 점에서

fgfp/p+gq/q\vert f\cdot g\vert \leq \vert f\vert ^p/p + \vert g\vert ^q/q

가 성립한다. 따라서 양변을 적분하면,

Efg1pEfp+1qEgq=1p+1q=1\begin{aligned}\int_E\vert f\cdot g\vert &\leq \frac{1}{p}\int_E\vert f\vert ^p + \frac{1}{q}\int_E\vert g\vert ^q \\ &= \frac{1}{p}+\frac{1}{q} = 1 \quad\therefore\end{aligned}

이때 위에서 정의한 함수 ff^{\ast}ff 의 켤레함수conjugate function라고 정의한다.

이를 바탕으로 우리는 삼각부등식을 다음과 같이 증명할 수 있다.

민코우스키의 부등식Minkowski's Inequality

함수 f,gLp(E)f,g \in L^p(E)f+g1f+g \neq 1 이고 p>1p>1 이라고 가정하자. 횔더의 부등식으로부터,

f+gp=E(f+g)(f+g)=Ef(f+g)+Eg(f+g)fp(f+g)q+gp(f+g)q=fp+gp\begin{aligned}\Vert f+g \Vert_p &= \int_E (f+g)(f+g)^{\ast} \\&= \int_Ef\cdot(f+g)^{\ast} + \int_Eg(f+g)^{\ast}\\&\leq \Vert f\Vert_p\cdot\Vert(f+g)^\ast\Vert_q + \Vert g\Vert_p\cdot\Vert(f+g)^\ast\Vert_q\\&=\Vert f\Vert_p + \Vert g \Vert_p\end{aligned}

따라서 삼각부등식이 성립한다.

코시-슈바르츠 부등식 횔더의 부등식에서 특별히 p=q=2p=q=2 인 경우를 코시-슈바르츠 부등식Cauchy-Schwarz Inequality 라고 한다.

EfgEf2Eg2 \int_E\vert f\cdot g\vert \leq \sqrt{\int_E f^2}\cdot\sqrt{\int_E g^2}

References

  • Royden, H., & Fitzpatrick, P. M. (2010). Real analysis. China Machine Press.