Mathematics · Boek 4 · Bachelor Year 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2

Universitaire wiskunde — Bachelor jaar 2 · Bachelor Year 2

8Functies van een reële veranderlijke

Voordat de analyse overgaat op functies van functies (Hoofdstuk 10) loont het het landschap in één veranderlijke fijner te kennen dan bachelorjaar 1 vroeg: hoe discontinu een monotone functie kan zijn, hoe regelmatig een convexe functie moet zijn, en welke bijzondere eigenschappen afgeleiden genieten (Darboux). Deze structurele resultaten zijn kort, scherp en geliefd bij examinatoren.

8.1 Monotone functies

Stelling 8.1 (Regulariteit van monotone functies)

Zij f ⁣:IRf \colon I \to \R stijgend op een interval.

  1. In elk inwendig punt aa bestaan de eenzijdige limieten:

    f(a)=supx<af(x)    f(a)    f(a+)=infx>af(x);f(a^-) = \sup_{x < a} f(x) \;\leq\; f(a) \;\leq\; f(a^+) = \inf_{x > a} f(x) ;

    elke discontinuïteit is een sprong.

  2. De verzameling van de discontinuïteiten van ff is hoogstens aftelbaar.

Bewijs. (1) De verzameling {f(x):x<a}\{f(x) : x < a\} is niet leeg en van boven door f(a)f(a) begrensd: haar supremum ss voldoet aan f(x)sf(x) \to s als xax \to a^- (bij gegeven ε\varepsilon is er een f(x0)>sεf(x_0) > s - \varepsilon, en de monotonie sluit f(x)(sε,s]f(x) \in \intoc{s - \varepsilon}{s} in voor x(x0,a)x \in \intoo{x_0}{a}). Symmetrisch aan de rechterkant.

(2) Hecht aan elke discontinuïteit aa het niet-lege open interval Ja=(f(a),f(a+))J_a = \intoo{f(a^-)}{f(a^+)} (een echte sprong). Voor discontinuïteiten a<ba < b zijn JaJ_a en JbJ_b disjunct: voor elke cc ertussen geldt f(a+)f(c)f(b)f(a^+) \leq f(c) \leq f(b^-). Elke JaJ_a bevat een rationaal getal, en verschillende discontinuïteiten krijgen verschillende rationale getallen: dat is een injectie van de verzameling discontinuïteiten in Q\Q, dat aftelbaar is (Propositie 1.6).

Voorbeeld 8.2

De grens is scherp: leg een opsomming (rn)(r_n) van Q(0,1)\Q \cap \intoo{0}{1} vast en zet f(x)=n:rnx2nf(x) = \sum_{n : r_n \leq x} 2^{-n} (een definitie via een sommeerbare familie, Definitie 7.8). Dan is ff stijgend op [0,1]\intcc{0}{1} en precies in elk rationaal getal van (0,1)\intoo{0}{1} discontinu (met sprong 2n2^{-n} in rnr_n): een monotone functie kan dus op een dichte aftelbare verzameling discontinu zijn.

Voorbeeld 8.3 (De sprongen kunnen de stijging niet overtreffen)

Voor stijgende ff op [a,b]\intcc{a}{b} hebben de sprongen een budget: zijn a<c1<<cm<ba < c_1 < \dots < c_m < b discontinuïteiten met sprongen si=f(ci+)f(ci)>0s_i = f(c_i^+) - f(c_i^-) > 0, kies dan tussenliggende punten a<c1<t1<c2<a < c_1 < t_1 < c_2 < \dots en gebruik de monotonie op elk stuk:

i=1msi    f(b)f(a):\sum_{i=1}^{m} s_i \;\leq\; f(b) - f(a) :

de totale stijging begrenst het totale springen. Gevolg: voor elke kk zijn er hoogstens k(f(b)f(a))k\,\bigl(f(b) - f(a)\bigr) discontinuïteiten met sprong 1k\geq \frac1k — een kwantitatieve verfijning van Stelling 8.1 (2), want de verzameling discontinuïteiten is de aftelbare vereniging over kk van deze eindige verzamelingen. Bij de functie met rationale sprongen hierboven wordt het budget precies opgemaakt: de sprongen 2n2^{-n} tellen op tot 1=f(1+)f(0)1 = f(1^+) - f(0^-) in de voor de hand liggende uitgebreide zin. Monotone functies mogen dicht springen, maar alleen op een strikte toelage.

8.2 Convexe functies

Lemma 8.4 (Hellingsongelijkheid)

Zij ff convex op II en zijn x<y<zx < y < z in II. Dan is

f(y)f(x)yx    f(z)f(x)zx    f(z)f(y)zy:\frac{f(y) - f(x)}{y - x} \;\leq\; \frac{f(z) - f(x)}{z - x} \;\leq\; \frac{f(z) - f(y)}{z - y} :

de hellingen van de koorden stijgen in beide eindpunten.

Bewijs. Schrijf y=zyzxx+yxzxzy = \frac{z - y}{z - x}\,x + \frac{y - x}{z - x}\,z: een convexe combinatie, want de twee coëfficiënten zijn positief en tellen op tot 11. De convexiteit geeft

f(y)    zyzxf(x)+yxzxf(z).f(y) \;\leq\; \frac{z-y}{z-x}\,f(x) + \frac{y-x}{z-x}\,f(z).

Trek voor de linkerongelijkheid f(x)f(x) van beide leden af, met zyzx1=yxzx\frac{z-y}{z-x} - 1 = -\frac{y-x}{z-x}:

f(y)f(x)yxzx(f(z)f(x)),f(y) - f(x) \leq \frac{y - x}{z - x}\bigl(f(z) - f(x)\bigr),

en deel door yx>0y - x > 0. Trek voor de rechterongelijkheid in plaats daarvan af van f(z)f(z):

f(z)f(y)f(z)zyzxf(x)yxzxf(z)=zyzx(f(z)f(x)),f(z) - f(y) \geq f(z) - \frac{z-y}{z-x}f(x) - \frac{y-x}{z-x}f(z) = \frac{z - y}{z - x}\bigl(f(z) - f(x)\bigr),

en deel door zy>0z - y > 0. Beide stappen zijn dezelfde barycentrische identiteit, gelezen tegen een ander eindpunt.

Stelling 8.5 (Regulariteit van convexe functies)

Zij ff convex op een interval II.

  1. In elk inwendig punt heeft ff eindige eenzijdige afgeleiden fgfdf'_g \leq f'_d; beide zijn stijgende functies van het punt; in het bijzonder is ff continu op het inwendige van II (maar mogelijk niet in de eindpunten).
  2. ff ligt boven elke steunlijn: voor inwendige aa en elke m[fg(a),fd(a)]m \in \intcc{f'_g(a)}{f'_d(a)} geldt

    f(x)f(a)+m(xa)(xI).f(x) \geq f(a) + m(x - a) \qquad (x \in I).
  3. (Jensen, met gewichten) Voor xiIx_i \in I en gewichten λi0\lambda_i \geq 0 met λi=1\sum\lambda_i = 1 geldt

    f(iλixi)iλif(xi).f\Bigl(\sum_i \lambda_i x_i\Bigr) \leq \sum_i \lambda_i f(x_i) .

Bewijs. (1) Leg een inwendig punt aa vast. Volgens Lemma 8.4 is de helling τ(h)=f(a+h)f(a)h\tau(h) = \frac{f(a + h) - f(a)}{h} een stijgende functie van hh (aan beide kanten, en τ(h)τ(h+)\tau(h_-) \leq \tau(h_+) voor h<0<h+h_- < 0 < h_+). Bijgevolg heeft τ\tau een eindige limiet als h0h \to 0^- (stijgend, van boven begrensd door elke rechterhelling) — dat is fg(a)f'_g(a) — en als h0+h \to 0^+ (fd(a)f'_d(a)), met fg(a)fd(a)f'_g(a) \leq f'_d(a). Eindige eenzijdige afgeleiden dwingen de continuïteit in aa af. Monotonie in het punt: voor inwendige a<ba < b is fd(a)f(b)f(a)bafg(b)f'_d(a) \leq \frac{f(b) - f(a)}{b - a} \leq f'_g(b), opnieuw volgens de hellingsongelijkheid.

(2) Voor x>ax > a: f(x)f(a)xafd(a)m\frac{f(x) - f(a)}{x - a} \geq f'_d(a) \geq m; voor x<ax < a: f(a)f(x)axfg(a)m\frac{f(a) - f(x)}{a - x} \leq f'_g(a) \leq m. Beide laten zich tot de bewering herschikken.

(3) Inductie naar het aantal punten, precies als in het volume van bachelorjaar 1 (het geval van twee punten is de definitie) — of in één klap: pas (2) toe in a=λixia = \sum\lambda_i x_i en middel de steunlijnongelijkheden in de punten xix_i met de gewichten λi\lambda_i: iλif(xi)f(a)+miλi(xia)=f(a)\sum_i \lambda_i f(x_i) \geq f(a) + m\sum_i\lambda_i(x_i - a) = f(a).

Convexiteit in één plaatje: tussen -1.5 en 2 blijft de grafiek van f(x) = x2 onder haar koorde (de definitie) en boven de steunlijn in x = 0.5 ( (2)) — elke ongelijkheid uit de weekendopgave van dit hoofdstuk is een herschikking van deze twee posities.
Convexiteit in één plaatje: tussen 1.5-1.5 en 22 blijft de grafiek van f(x)=x2f(x) = x^2 onder haar koorde (de definitie) en boven de steunlijn in x=0.5x = 0.5 (Stelling 8.5 (2)) — elke ongelijkheid uit de weekendopgave van dit hoofdstuk is een herschikking van deze twee posities.

Voorbeeld 8.6 (Discontinuïteit in een eindpunt)

Op [0,1]\intcc{0}{1} is de functie met f(0)=1f(0) = 1 en f(x)=0f(x) = 0 voor x>0x > 0 convex maar discontinu in het eindpunt 00: uitspraak (1) is dus scherp.

Voorbeeld 8.7 (Knikken en de waaier van steunlijnen)

Voor f(x)=xf(x) = \abs x in a=0a = 0 zijn de eenzijdige afgeleiden fg(0)=1f'_g(0) = -1 en fd(0)=+1f'_d(0) = +1, en Stelling 8.5 (2) deelt een steunlijn uit voor elke helling m[1,1]m \in \intcc{-1}{1}:

xmx(xR, 1m1),\abs x \geq m\,x \qquad (x \in \R,\ -1 \leq m \leq 1),

telkens met gelijkheid precies op een halfrechte of in 00. Een convexe functie is in aa differentieerbaar precies wanneer de waaier tot één enkele lijn inklapt (fg(a)=fd(a)f'_g(a) = f'_d(a)); knikken dragen een heel interval raaklijnen. Deze waaier is de eindigdimensionale kiem van het subdifferentiaal uit de convexe optimalisatie — en de reden dat convexe functies zo robuust zijn: zelfs waar de afgeleide faalt, overleeft de steunende meetkunde, en meer had het bewijs van Jensen niet nodig.

Voorbeeld 8.8 (Ongelijkheid van de machtgemiddelden)

Voor 0<p<q0 < p < q en positieve xix_i met gewichten λi\lambda_i die tot 11 optellen geeft Jensen, toegepast op de convexe ttq/pt \mapsto t^{q/p} in de punten xipx_i^p:

(λixip)1/p(λixiq)1/q:\Bigl(\sum \lambda_i x_i^{p}\Bigr)^{1/p} \leq \Bigl(\sum \lambda_i x_i^{q}\Bigr)^{1/q} :

de machtgemiddelden stijgen met de exponent — waaronder de ongelijkheid tussen rekenkundig en kwadratisch gemiddelde, en, in de limiet p0p \to 0 (Oefening 8.6), opnieuw de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde.

Het machtgemiddelde M_p van de waarden 1, 2, 4 (gelijke gewichten), als functie van de exponent p: stijgend van = 1 (als p -∈fty) tot = 4 (als p +∈fty), via het harmonische (p = -1), het meetkundige (het gat bij p = 0, waarde 2), het rekenkundige (p = 1) en het kwadratische (p = 2) gemiddelde. De hele keten van klassieke ongelijkheden tussen gemiddelden is één stijgende kromme — bewezen in Deel III van de weekendopgave van dit hoofdstuk.
Het machtgemiddelde MpM_p van de waarden 1,2,41, 2, 4 (gelijke gewichten), als functie van de exponent pp: stijgend van min=1\min = 1 (als pp \to -\infty) tot max=4\max = 4 (als p+p \to +\infty), via het harmonische (p=1p = -1), het meetkundige (het gat bij p=0p = 0, waarde 22), het rekenkundige (p=1p = 1) en het kwadratische (p=2p = 2) gemiddelde. De hele keten van klassieke ongelijkheden tussen gemiddelden is één stijgende kromme — bewezen in Deel III van de weekendopgave van dit hoofdstuk.

Voorbeeld 8.9 (Maximale entropie)

Voor een kansvector (p1,,pn)(p_1, \dots, p_n) (positief, met som 11) voldoet de entropie H(p)=ipilnpiH(p) = -\sum_i p_i\ln p_i aan

H(p)lnn,met gelijkheid dan en slechts dan als pi=1n voor alle i.H(p) \leq \ln n , \qquad\text{met gelijkheid dan en slechts dan als } p_i = \frac1n \text{ voor alle } i .

Bewijs met Jensen (Stelling 8.5 (3)) toegepast op de concave ln\ln met gewichten pip_i in de punten 1pi\frac{1}{p_i}:

H(p)=ipiln1piln(ipi1pi)=lnn,H(p) = \sum_i p_i\ln\frac{1}{p_i} \leq \ln\Bigl(\sum_i p_i\,\frac1{p_i}\Bigr) = \ln n ,

waarbij gelijkheid alle punten 1pi\frac1{p_i} gelijk afdwingt (strikte concaviteit), dat wil zeggen: pp uniform. Gelijkwaardig is dit Oefening 8.7 met uniforme qq. Onzekerheid wordt gemaximaliseerd door onwetendheid die uniform is uitgesmeerd — het variationele principe achter codering, statistische mechanica en de entropie zoals zij in Hoofdstuk 22 opduikt.

Methode 8.10 (De convexe functie achter een ongelijkheid vinden)

De meeste klassieke ongelijkheden zijn Jensen in vermomming; om er een te ontkleden: (1) normaliseer zo dat er een gewogen gemiddelde verschijnt (positieve gewichten met som 11 — deel zo nodig door een totale massa); (2) kijk welke functie binnen en welke buiten het gemiddelde wordt toegepast: de bewering “f(gemiddelde)f(\text{gemiddelde}) \leq gemiddelde van ff” noemt de convexe ff; (3) certificeer de convexiteit met de tweede afgeleide en behandel de gelijkheid met de striktheid; (4) is er geen gemiddelde zichtbaar, neem dan eerst logaritmen — producten en machten worden gemiddelden, en de concaviteit van ln\ln draagt de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde, die van Young en hun verwanten (de weekendopgave van dit hoofdstuk doorloopt de stappen 1–4 op elk ervan). Onthullen zelfs logaritmen geen gemiddelde, lees de ongelijkheid dan als monotonie van hellingen (Lemma 8.4) — uitspraken over superadditiviteit zoals Oefening 8.9 horen daar thuis.

Opmerking 8.11 (Klassieke valkuilen)

(i) Convexiteit blijft niet onder producten behouden: xx en (x1)2(x - 1)^2 zijn convex op [0,2]\intcc{0}{2}, maar hun product x(x1)2x(x-1)^2 heeft tweede afgeleide 6x46x - 4, negatief op [0,23)\intco{0}{\frac23} — dus niet convex; en zonder monotonie blijft convexiteit evenmin onder samenstelling behouden (Oefening 8.10). (ii) Jensen keert om voor concave functies: de helft van de klassieke ongelijkheden is de concave ln\ln-versie; de convexe vorm op ln\ln toepassen is de snelste manier om de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde achterstevoren te bewijzen. (iii) Convexiteit in het midden alleen impliceert geen convexiteit — daarvoor is continuïteit (of alleen al begrensdheid) nodig (Oefening 8.8); de pathologische tegenvoorbeelden liggen buiten de axioma’s van dit boek. (iv) Een convexe functie op een open interval is continu, zelfs lokaal Lipschitz (Oefening 8.12); in de eindpunten is niets gratis. (v) Afgeleiden gehoorzamen aan Darboux maar hoeven niet continu te zijn (Voorbeeld 8.15): “ff' heeft geen sprongen” betekent nooit “ff' is continu”.

8.3 De eigenschap van Darboux

Stelling 8.12 (Darboux)

Zij ff differentieerbaar op een interval II. Dan neemt ff' elke waarde tussen twee van haar waarden aan — ook al hoeft ff' niet continu te zijn.

Bewijs. Zijn a<ba < b in II en ligt vv strikt tussen f(a)f'(a) en f(b)f'(b), zeg f(a)<v<f(b)f'(a) < v < f'(b). De functie g(x)=f(x)vxg(x) = f(x) - vx is differentieerbaar met g(a)<0<g(b)g'(a) < 0 < g'(b): haar minimum op [a,b]\intcc{a}{b} (aangenomen: continuïteit op een compacte verzameling) ligt niet in aa (net na aa daalt gg onder g(a)g(a)) en evenmin in bb (net vóór bb ligt gg onder g(b)g(b)): het is dus inwendig, en daar is g(c)=0g'(c) = 0, dat wil zeggen f(c)=vf'(c) = v. (Dit was een oefening met sterren in bachelorjaar 1; haar plaats in de theorie is hier.)

Voorbeeld 8.13 (Welke functies zijn afgeleiden?)

De stelling van Darboux is een niet-bestaansmachine. De afrondingsfunctie x\lfloor x\rfloor is op R\R de afgeleide van geen enkele functie: zij neemt de waarden 00 en 11 aan maar slaat 12\frac12 op [0,1]\intcc{0}{1} over, en dat verbiedt Stelling 8.12 voor afgeleiden. Hetzelfde oordeel treft elke functie met een sprong — het teken, de heavisidefunctie, alle trapfuncties — hoe onschuldig zij er ook uitzien; hun “primitieven” (x\abs x voor het teken, enzovoort) bestaan alleen buiten de sprong en knopen daar met een knik aaneen. Daartegenover is de wild discontinue ff' uit Voorbeeld 8.15 wél een afgeleide — haar discontinuïteit is een oscillatie, en die verdraagt Darboux. De grens tussen beide gedragingen is precies het gevolg over sprongen hieronder.

Gevolg 8.14

Een afgeleide heeft geen sprongdiscontinuïteiten: bestaan f(a)f'(a^-) en f(a+)f'(a^+), dan zijn zij gelijk aan f(a)f'(a). De discontinuïteiten van een afgeleide zijn altijd van het oscillatietype (de afgeleide van x2sin1xx^2\sin\frac1x in 00, volume van bachelorjaar 1).

Bewijs. Bestaat f(a+)=limxa+f(x)f'(a^+) = \lim_{x\to a^+} f'(x) en verschilt zij van f(a)f'(a), dan zouden waarden er strikt tussenin door ff' op een rechteromgeving worden overgeslagen — in strijd met Darboux op de intervallen [a,a+h]\intcc{a}{a + h}. (Anders gezegd: de middelwaardestelling dwingt f(a)=limh0+f(a+h)f(a)h=f(a+)f'(a) = \lim_{h\to0^+} \frac{f(a+h)-f(a)}{h} = f'(a^+) af, want het differentiequotiënt is een waarde van ff' in een tussenliggend punt.) Aan de linkerkant hetzelfde.

Voorbeeld 8.15 (De canonieke oscillerende afgeleide)

Zij f(x)=x2sin1xf(x) = x^2\sin\frac1x voor x0x \neq 0 en f(0)=0f(0) = 0. In 00: f(h)f(0)h=hsin1hh0\bigl|\frac{f(h) - f(0)}{h}\bigr| = \abs{h\sin\frac1h} \leq \abs h \to 0, dus bestaat f(0)=0f'(0) = 0. Buiten 00 is

f(x)=2xsin1xcos1x,f'(x) = 2x\sin\frac1x - \cos\frac1x ,

waarvan de eerste term naar 00 gaat terwijl cos1x\cos\frac1x op elk interval (0,δ)\intoo{0}{\delta} het hele [1,1]\intcc{-1}{1} doorloopt: de limiet f(0+)f'(0^+) bestaat dus niet. Bijgevolg is ff' overal gedefinieerd maar discontinu in 00 — en, precies zoals Gevolg 8.14 voorspelt, is de discontinuïteit een oscillatie en geen sprong: op elke (0,δ)\intoo{0}{\delta} veegt ff' nog steeds een heel interval rond 00 af. Afgeleiden mogen wild zijn, maar alleen op de manier die met Darboux verenigbaar is.

Opmerking 8.16 (Waar dit hoofdstuk wordt gebruikt)

De convexiteit is de motor van de ongelijkhedenindustrie: de weekendopgave van dit hoofdstuk maakt er Young, Hölder, Minkowski en de keten van machtgemiddelden mee, die de normentheorie van Hoofdstuk 5 en de integraalschattingen van Hoofdstuk 9 weer verbruiken; Jensen duikt in de kansrekening opnieuw op als de momentongelijkheden van Hoofdstuk 22. De regulariteit van monotone functies keert terug in Hoofdstuk 9 (monotone functies zijn integreerbaar) en, in het volume van bachelorjaar 3, als de differentieerbaarheid bijna overal van monotone functies — waar “aftelbaar veel sprongen” de eerste stap van de theorie van Lebesgue wordt.

8.4 Oefeningen

Oefening 8.1

Bepaal de verzamelingen van discontinuïteiten en de sprongen van x\lfloor x \rfloor,   xx\;x - \lfloor x\rfloor,   x+xx\;\lfloor x \rfloor + \sqrt{x - \lfloor x\rfloor}, en van de functie uit het voorbeeld na Stelling 8.1, beperkt tot de dyadische rationale getallen rnr_n.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.1.

x\lfloor x\rfloor: sprongen ter grootte 11 in elk geheel getal. xxx - \lfloor x\rfloor: sprongen ter grootte 1-1 in de gehele getallen (linkerlimiet 11, waarde 00). x+xx\lfloor x\rfloor + \sqrt{x - \lfloor x\rfloor}: in een geheel getal nn is de linkerlimiet (n1)+1=n(n - 1) + 1 = n en de waarde nn: dus overal continu (de vierkantswortel repareert de sprong), al is de functie in de gehele getallen niet differentieerbaar. De functie met rationale sprongen: beperken we de constructie tot een opsomming van de dyadische getallen, dan springt zij met 2n2^{-n} precies in het nn-de dyadische rationale getal en is zij elders continu.

Oefening 8.2

Bewijs dat een stijgende functie f ⁣:IRf \colon I \to \R met de tussenwaarde-eigenschap (het beeld van elk deelinterval is een interval) continu is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.2.

Stel dat de stijgende ff een discontinuïteit heeft in een inwendig punt aa: dan is f(a)<f(a+)f(a^-) < f(a^+) (Stelling 8.1) en mist het beeld van II het niet-lege open interval (f(a),f(a+))\intoo{f(a^-)}{f(a^+)}, hoogstens op de ene waarde f(a)f(a) na: het beeld van elk deelinterval dat aa in zijn inwendige bevat, is dan geen interval (het heeft aan minstens één zijde van f(a)f(a) een gat). Dat is in strijd met de tussenwaarde-eigenschap. Discontinuïteiten in de eindpunten worden op dezelfde manier uitgesloten, met eenzijdige gaten.

Oefening 8.3

Welke van de volgende functies zijn convex op hun domein? xxlnxx \mapsto x\ln x (x>0x > 0);   xln(1+ex)\;x \mapsto \ln(1 + \eu^x);   x1+x2\;x \mapsto \sqrt{1 + x^2};   xx3\;x \mapsto x^3.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.3.

xlnxx\ln x: tweede afgeleide 1x>0\frac1x > 0, dus convex. ln(1+ex)\ln(1 + \eu^x): afgeleide ex1+ex=111+ex\frac{\eu^x}{1 + \eu^x} = 1 - \frac{1}{1 + \eu^x}, stijgend, dus convex. 1+x2\sqrt{1 + x^2}: tweede afgeleide (1+x2)3/2>0(1 + x^2)^{-3/2} > 0, dus convex. x3x^3: niet convex op R\R (f=6xf'' = 6x wisselt van teken); alleen convex op R+\R_+.

Oefening 8.4 ★★

Zij ff convex op R\R en van boven begrensd. Bewijs dat ff constant is. (Is f(a)f(b)f(a) \neq f(b), dan plant de hellingsongelijkheid de koordehelling ongelijk aan nul voort: voorbij het punt met de grootste waarde groeit ff minstens lineair — in strijd met de begrensdheid. Behandel beide tekens van de helling.) Leid af dat een convexe functie op R\R met aan beide zijden een asymptoot affien is.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.4.

Stel f(a)f(b)f(a) \neq f(b), zeg f(b)>f(a)f(b) > f(a) met a<ba < b (het geval f(b)<f(a)f(b) < f(a) is symmetrisch, met de blik naar links). Voor x>bx > b geeft de hellingsongelijkheid (Lemma 8.4) op a<b<xa < b < x

f(x)f(a)xaf(b)f(a)ba=m>0f(x)f(a)+m(xa)x++,\frac{f(x) - f(a)}{x - a} \geq \frac{f(b) - f(a)}{b - a} = m > 0 \quad\Longrightarrow\quad f(x) \geq f(a) + m(x - a) \xrightarrow[x\to+\infty]{} +\infty,

in strijd met de begrensdheid van boven. Bijgevolg is ff constant.

Asymptoten: geldt f(x)(αx+β)0f(x) - (\alpha x + \beta) \to 0 bij ++\infty en f(x)(αx+β)0f(x) - (\alpha' x + \beta') \to 0 bij -\infty, dan is de convexe functie g(x)=f(x)(αx+β)g(x) = f(x) - (\alpha x + \beta) bij ++\infty van boven begrensd; de convexiteit plus een asymptoot bij -\infty (die αα\alpha' \leq \alpha afdwingt en daarna α=α\alpha' = \alpha door de hellingen bij \mp\infty te vergelijken: de hellingen van een convexe functie stijgen) maakt gg op heel R\R van boven begrensd, dus constant, en in de limiet gelijk aan 00: ff is affien.

Oefening 8.5 ★★

Zij ff differentieerbaar op II met ff' monotoon. Bewijs dat ff' continu is (combineer Stelling 8.1 en Gevolg 8.14).

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.5.

ff' is monotoon, dus zijn volgens Stelling 8.1 haar enige mogelijke discontinuïteiten sprongen, met overal bestaande eenzijdige limieten. Volgens Gevolg 8.14 heeft een afgeleide geen sprongdiscontinuïteiten. Bijgevolg heeft ff' helemaal geen discontinuïteiten: zij is continu.

Oefening 8.6 ★★

(Het meetkundige gemiddelde als limiet) Bewijs voor positieve xix_i en gewichten λi\lambda_i met som 11 dat

limp0+(iλixip)1/p=ixiλi,\lim_{p \to 0^+} \Bigl(\sum_i \lambda_i x_i^p\Bigr)^{1/p} = \prod_i x_i^{\lambda_i} ,

via xip=eplnxi=1+plnxi+O(p2)x_i^p = \eu^{p\ln x_i} = 1 + p\ln x_i + O(p^2), en leid daaruit met Voorbeeld 8.8 de gewogen ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde af.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.6.

Neem logaritmen:

1pln(iλixip)=1pln(1+piλilnxi+O(p2))=iλilnxi+O(p)p0+iλilnxi,\frac1p \ln\Bigl(\sum_i \lambda_i x_i^p\Bigr) = \frac1p \ln\Bigl(1 + p\sum_i \lambda_i \ln x_i + O(p^2)\Bigr) = \sum_i \lambda_i \ln x_i + O(p) \xrightarrow[p \to 0^+]{} \sum_i \lambda_i \ln x_i ,

met λi=1\sum\lambda_i = 1 en ln(1+u)=u+O(u2)\ln(1 + u) = u + O(u^2). Exponentiëren geeft het meetkundige gemiddelde. Voor elke p(0,1)p \in \intoo{0}{1} geeft de ongelijkheid van de machtgemiddelden (Voorbeeld 8.8, exponenten p<1p < 1) nu

(iλixip)1/piλixi;\Bigl(\sum_i \lambda_i x_i^p\Bigr)^{1/p} \leq \sum_i\lambda_i x_i ;

links p0+p \to 0^+ laten gaan levert ixiλiiλixi\prod_i x_i^{\lambda_i} \leq \sum_i \lambda_i x_i: de gewogen ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde.

Oefening 8.7 ★★

(Entropieongelijkheid) Bewijs met de strikte convexiteit van ttlntt \mapsto t\ln t dat voor positieve pi,qip_i, q_i met pi=qi=1\sum p_i = \sum q_i = 1 geldt

ipilnpiqi0,\sum_i p_i \ln\frac{p_i}{q_i} \geq 0 ,

met gelijkheid dan en slechts dan als p=qp = q. (Schrijf het linkerlid als qiφ(piqi)\sum q_i\, \varphi\bigl(\frac{p_i}{q_i}\bigr) met φ(t)=tlnt\varphi(t) = t\ln t en pas Jensen toe met gewichten qiq_i.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.7.

Met φ(t)=tlnt\varphi(t) = t\ln t (convex: φ=1t>0\varphi'' = \frac1t > 0) en gewichten qiq_i in de punten ti=piqit_i = \frac{p_i}{q_i}:

ipilnpiqi=iqiφ(piqi)    φ(iqipiqi)=φ(1)=0,\sum_i p_i \ln\frac{p_i}{q_i} = \sum_i q_i\, \varphi\Bigl(\frac{p_i}{q_i}\Bigr) \;\geq\; \varphi\Bigl(\sum_i q_i \frac{p_i}{q_i}\Bigr) = \varphi(1) = 0 ,

volgens Jensen (Stelling 8.5 (3)). Gelijkheid in Jensen voor een strikt convexe functie dwingt af dat alle punten tit_i samenvallen: piqi\frac{p_i}{q_i} is dus constant, en na sommeren is die constante 11: p=qp = q. (Deze grootheid — de divergentie van Kullback en Leibler — keert terug in de wereld van Hoofdstuk 22.)

Oefening 8.8 ★★★

(Convexiteit in het midden) f ⁣:IRf \colon I \to \R heet convex in het midden wanneer altijd f(x+y2)f(x)+f(y)2f\bigl(\frac{x+y}{2}\bigr) \leq \frac{f(x) + f(y)}{2}. Bewijs dat een continue functie die convex in het midden is, convex is. (Stel de convexiteitsongelijkheid voor dyadische gewichten k2m\frac{k}{2^m} vast met inductie naar mm, en ga daarna met de dichtheid en de continuïteit naar de limiet.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.8.

Dyadische gewichten. Met inductie naar mm: het geval m=1m = 1 is de hypothese. Voor een gewicht λ=k2m+1\lambda = \frac{k}{2^{m+1}} (met oneven kk) schrijven we λ=12(λ1+λ2)\lambda = \frac12(\lambda_1 + \lambda_2) met λj=k12m+1\lambda_j = \frac{k \mp 1}{2^{m+1}}, na vereenvoudiging beide met noemer 2m2^m; dan is

f(λx+(1λ)y)=f(u+v2)f(u)+f(v)2λf(x)+(1λ)f(y),f\bigl(\lambda x + (1{-}\lambda)y\bigr) = f\Bigl(\tfrac{u + v}{2}\Bigr) \leq \frac{f(u) + f(v)}{2} \leq \lambda f(x) + (1 - \lambda) f(y),

met u=λ1x+(1λ1)yu = \lambda_1 x + (1 - \lambda_1)y en v=λ2x+(1λ2)yv = \lambda_2 x + (1-\lambda_2)y, waarbij eerst de convexiteit in het midden en daarna de inductiehypothese op uu en vv wordt gebruikt.

Overgang naar de limiet. Neem voor willekeurige λ[0,1]\lambda \in \intcc{0}{1} dyadische λnλ\lambda_n \to \lambda: de continuïteit van ff en van de affiene afbeeldingen brengt de ongelijkheid f(λnx+(1λn)y)λnf(x)+(1λn)f(y)f(\lambda_n x + (1-\lambda_n)y) \leq \lambda_n f(x) + (1-\lambda_n)f(y) naar de limiet: dus is ff convex.

Oefening 8.9 ★★★

Zij ff convex op [0,+)\intco{0}{+\infty} met f(0)0f(0) \leq 0. Bewijs dat xf(x)xx \mapsto \frac{f(x)}{x} stijgt op (0,+)\intoo{0}{+\infty}, en leid af dat voor convexe ff met f(0)=0f(0) = 0 geldt: f(x+y)f(x)+f(y)f(x + y) \geq f(x) + f(y) voor x,y0x, y \geq 0 (superadditiviteit).

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.9.

Voor 0<x<y0 < x < y geeft de hellingsongelijkheid (Lemma 8.4) in de punten 0<x<y0 < x < y

f(x)f(0)xf(y)f(0)y,dat wil zeggenf(x)xf(y)y+f(0)(1x1y).\frac{f(x) - f(0)}{x} \leq \frac{f(y) - f(0)}{y}, \qquad\text{dat wil zeggen}\qquad \frac{f(x)}{x} \leq \frac{f(y)}{y} + f(0)\Bigl(\frac1x - \frac1y\Bigr).

Omdat f(0)0f(0) \leq 0 en 1x1y>0\frac1x - \frac1y > 0, is de laatste term 0\leq 0: dus f(x)xf(y)y\frac{f(x)}{x} \leq \frac{f(y)}{y}. Bijgevolg stijgt xf(x)xx \mapsto \frac{f(x)}x.

Superadditiviteit bij f(0)=0f(0) = 0: voor x,y>0x, y > 0 (de gevallen met een variabele gelijk aan nul zijn triviaal) geeft de zojuist bewezen monotonie

f(x)=xf(x)xxf(x+y)x+y,f(y)yf(x+y)x+y,f(x) = x\,\frac{f(x)}{x} \leq x\,\frac{f(x+y)}{x+y}, \qquad f(y) \leq y\,\frac{f(x+y)}{x+y},

en optellen geeft f(x)+f(y)f(x+y)f(x) + f(y) \leq f(x+y).

Oefening 8.10

Zij ff convex op II en gg convex en stijgend op een interval dat f(I)f(I) bevat. Bewijs dat gfg \circ f convex is, en toon met een tegenvoorbeeld aan dat de monotonie van gg niet mag vervallen.

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.10.

Voor x,yIx, y \in I en λ[0,1]\lambda \in \intcc01: eerst de convexiteit van ff, dan de monotonie van gg, dan de convexiteit van gg:

g(f(λx+(1λ)y))g(λf(x)+(1λ)f(y))λg(f(x))+(1λ)g(f(y)).g\bigl(f(\lambda x + (1{-}\lambda)y)\bigr) \leq g\bigl(\lambda f(x) + (1{-}\lambda)f(y)\bigr) \leq \lambda\,g(f(x)) + (1{-}\lambda)\,g(f(y)).

Tegenvoorbeeld zonder monotonie: g(t)=tg(t) = -t is convex (affien) maar dalend, f(x)=x2f(x) = x^2 is convex, en gf=x2g \circ f = -x^2 is strikt concaaf.

Oefening 8.11 ★★

(Hermite–Hadamard) Zij ff convex en continu op [a,b]\intcc{a}{b}. Bewijs dat

f(a+b2)    1baabf(t) ⁣dt    f(a)+f(b)2.f\Bigl(\frac{a+b}{2}\Bigr) \;\leq\; \frac{1}{b - a}\int_a^b f(t)\,\dd t \;\leq\; \frac{f(a) + f(b)}{2} .

(Links: integreer een steunlijn in het midden. Rechts: begrens ff door de koorde.)

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.11.

Linkerongelijkheid: zij m=a+b2m = \frac{a+b}2 en neem een steunlijn in mm (Stelling 8.5 (2)): f(t)f(m)+μ(tm)f(t) \geq f(m) + \mu(t - m) voor alle t[a,b]t \in \intcc ab. Integreren over [a,b]\intcc{a}{b}: de lineaire term integreert tot μab(tm) ⁣dt=0\mu\int_a^b(t - m)\dd t = 0 (symmetrie rond mm), dus abf(ba)f(m)\int_a^b f \geq (b - a)f(m).

Rechterongelijkheid: op [a,b]\intcc ab begrenst de convexiteit ff door haar koorde: f(t)f(a)+f(b)f(a)ba(ta)f(t) \leq f(a) + \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(t - a). Integreren geeft abf(ba)f(a)+f(b)f(a)ba(ba)22=(ba)f(a)+f(b)2\int_a^b f \leq (b-a)f(a) + \frac{f(b) - f(a)}{b - a}\cdot\frac{(b-a)^2}2 = (b - a)\,\frac{f(a) + f(b)}2. Deel door bab - a.

Oefening 8.12 ★★★

Bewijs dat een convexe functie op een open interval II lokaal Lipschitz is: voor elk segment [a,b]I\intcc{a}{b} \subseteq I en elke marge δ>0\delta > 0 met [aδ,b+δ]I\intcc{a - \delta}{b + \delta} \subseteq I is de beperking van ff tot [a,b]\intcc{a}{b} Lipschitz, met constante max(f(a)f(aδ)δ,f(b+δ)f(b)δ)\max\Bigl(\bigl|\frac{f(a) - f(a - \delta)}{\delta}\bigr|, \bigl|\frac{f(b + \delta) - f(b)}{\delta}\bigr|\Bigr) (sluit elke koordehelling met de hellingsongelijkheid tussen deze twee in).

Oplossing

Oplossing van Oefening 8.12.

Zij aδ<ax<yb<b+δa - \delta < a \leq x < y \leq b < b + \delta, alle in II. Twee toepassingen van de hellingsongelijkheid (Lemma 8.4), eerst op aδ<ax<ya - \delta < a \leq x < y en daarna op x<yb<b+δx < y \leq b < b + \delta:

f(a)f(aδ)δf(y)f(x)yxf(b+δ)f(b)δ\frac{f(a) - f(a - \delta)}{\delta} \leq \frac{f(y) - f(x)}{y - x} \leq \frac{f(b + \delta) - f(b)}{\delta}

(koordehellingen stijgen wanneer beide eindpunten naar rechts schuiven). Bijgevolg ligt elke koordehelling binnen [a,b]\intcc ab tussen twee vaste getallen ingeklemd, en is

f(y)f(x)Kyx,K=max(f(a)f(aδ)δ,f(b+δ)f(b)δ):\abs{f(y) - f(x)} \leq K\,\abs{y - x}, \qquad K = \max\Bigl(\Bigl|\frac{f(a) - f(a-\delta)}{\delta}\Bigr|, \Bigl|\frac{f(b+\delta) - f(b)}{\delta}\Bigr|\Bigr):

ff is dus Lipschitz op [a,b]\intcc ab. Elk punt van het open II heeft zo’n segment met marge om zich heen: dus lokaal Lipschitz, en daarmee (opnieuw) continu op II.

8.5 Probleem: De gereedschapskist van de convexiteit

Eén definitie — de koorde boven de grafiek — brengt de hele gereedschapskist van de klassieke ongelijkheden voort. Deze weekendopgave bouwt haar in logische volgorde op: convexiteitscriteria en strikte Jensen, dan Young, Hölder en Minkowski (de geboorteakten van de pp-normen), de volledige keten van machtgemiddelden van het minimum tot het maximum, en twee kroonopbrengsten — de ongelijkheid van Carleman, en Hölder gelezen als een dualiteit. Alles wordt bewezen; niets wordt ingevoerd.

Probleem 8.1

Weekendopgave — Young, Hölder, Minkowski en de keten van machtgemiddelden

Overal zijn p,q>1p, q > 1 toegevoegde exponenten: 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1; vectoren zijn a=(a1,,an)Rna = (a_1, \dots, a_n) \in \R^n; en gewichten λi>0\lambda_i > 0 voldoen aan iλi=1\sum_i\lambda_i = 1.

Deel I — Criteria en strikte Jensen.

  1. Zij ff differentieerbaar op een interval II. Bewijs dat ff convex is dan en slechts dan als ff' stijgt (de ene richting door in de hellingsongelijkheid Lemma 8.4 naar de limiet te gaan, de andere met de middelwaardestelling). Leid het C2C^2-criterium f0f'' \geq 0 af.
  2. Neem aan dat f>0f'' > 0 op II. Bewijs dat ff strikt convex is (strikte ongelijkheid voor xyx \neq y en λ(0,1)\lambda \in \intoo01), en dat een strikt convexe functie aan de ongelijkheid van Jensen (Stelling 8.5 (3)) alleen met gelijkheid voldoet wanneer alle xix_i samenvallen.
  3. Certificeer de grondstoffen van de gereedschapskist: ln-\ln is strikt convex op (0,+)\intoo{0}{+\infty}; ttrt \mapsto t^r is daar strikt convex voor r>1r > 1 en strikt concaaf voor 0<r<10 < r < 1; en exp\exp is strikt convex op R\R.
  4. (Ongelijkheid van Young) Bewijs voor a,b0a, b \geq 0 dat

    ab    app+bqq,ab \;\leq\; \frac{a^p}{p} + \frac{b^q}{q},

    met gelijkheid dan en slechts dan als ap=bqa^p = b^q (pas de concaviteit van ln\ln toe op de twee punten ap,bqa^p, b^q met gewichten 1p,1q\frac1p, \frac1q).

  5. Leid uit de concaviteit van ln\ln in één regel opnieuw de gewogen ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde af:

    ixiλiiλixi(xi>0),\prod_i x_i^{\lambda_i} \leq \sum_i\lambda_ix_i \qquad (x_i > 0),

    met het geval van gelijkheid; vergelijk dit met de weg via de limiet uit Oefening 8.6.

Deel II — Hölder en Minkowski. Schrijf ap=(iaip)1/p\norm{a}_p = \bigl(\sum_i \abs{a_i}^p\bigr)^{1/p} en a=maxiai\norm{a}_\infty = \max_i\abs{a_i}.

  1. (Hölder) Bewijs dat

    i=1naibi    apbq,\sum_{i=1}^{n}\abs{a_ib_i} \;\leq\; \norm a_p\,\norm b_q ,

    met gelijkheid dan en slechts dan als de vectoren (aip)(\abs{a_i}^p) en (biq)(\abs{b_i}^q) evenredig zijn (normaliseer ap=bq=1\norm a_p = \norm b_q = 1 en pas Young term voor term toe).

  2. Benoem de bijzondere gevallen: p=q=2p = q = 2 (Cauchy–Schwarz), en het randpaar (p,q)=(1,)(p, q) = (1, \infty): formuleer en bewijs aibia1b\sum\abs{a_ib_i} \leq \norm a_1\norm b_\infty.
  3. (Minkowski) Bewijs voor p1p \geq 1 dat

    a+bpap+bp\norm{a + b}_p \leq \norm a_p + \norm b_p

    (schrijf ai+bipai+bip1(ai+bi)\abs{a_i + b_i}^p \leq \abs{a_i + b_i}^{p-1}(\abs{a_i} + \abs{b_i}) en pas Hölder op elk product toe). Besluit: p\norm\cdot_p is voor elke p[1,+)p \in \intco{1}{+\infty} een norm op Rn\R^n, wat het beeld van Hoofdstuk 5 completeert.

  4. Integraalversies: formuleer en bewijs Hölder en Minkowski voor fp=(abfp)1/p\norm f_p = \bigl(\int_a^b\abs f^p\bigr)^{1/p} met f,gf, g continu op [a,b]\intcc{a}{b} (dezelfde bewijzen, met de strikte positiviteit van de integraal voor de bespreking van de gelijkheid).
  5. Bewijs de monotonie aqap\norm a_q \leq \norm a_p voor 1pq1 \leq p \leq q, de limiet apa\norm a_p \to \norm a_\infty als pp \to \infty, en de omgekeerde vergelijking met de scherpe constante:

    apn1p1qaq\norm a_p \leq n^{\frac1p - \frac1q}\,\norm a_q

    (Hölder tegen de constante vector). Benoem de vectoren die elke gelijkheid realiseren.

  6. (Interpolatie) Bewijs voor 1p<r<q1 \leq p < r < q en θ(0,1)\theta \in \intoo01 met 1r=θp+1θq\frac1r = \frac\theta p + \frac{1-\theta}q dat

    arapθaq1θ\norm a_r \leq \norm a_p^{\theta}\, \norm a_q^{1-\theta}

    (pas Hölder met de exponenten pθr\frac{p}{\theta r} en q(1θ)r\frac{q}{(1-\theta)r} toe op aiθrai(1θ)r\abs{a_i}^{\theta r}\abs{a_i}^{(1-\theta)r}).

Deel III — De keten van machtgemiddelden, volledig. Zet voor p0p \neq 0 de waarde Mp=(iλixip)1/pM_p = \bigl(\sum_i\lambda_i x_i^p\bigr)^{1/p} (xi>0x_i > 0), en M0=ixiλiM_0 = \prod_i x_i^{\lambda_i}.

  1. Bewijs dat pMpp \mapsto M_p op heel R\R^* stijgt: behandel p<q<0p < q < 0 met de identiteit Mp(x)=Mp(1/x)1M_{-p}(x) = M_p(1/x)^{-1}, en overbrug 00 door aan te tonen dat MpM0MqM_p \leq M_0 \leq M_q voor p<0<qp < 0 < q (pas de concaviteit van ln\ln toe op xiqx_i^q, en de omgekeerde ongelijkheid voor negatieve exponenten).
  2. Bewijs de limieten MpmaxixiM_p \to \max_i x_i als p+p \to +\infty en MpminixiM_p \to \min_i x_i als pp \to -\infty.
  3. Schrijf de keten minHMGMAMQMmax\min \leq \mathrm{HM} \leq \mathrm{GM} \leq \mathrm{AM} \leq \mathrm{QM} \leq \max uit voor gelijke gewichten, en bewijs het klassieke gevolg: voor positieve a1,,ana_1, \dots, a_n geldt

    (iai)(i1ai)n2.\Bigl(\sum_i a_i\Bigr)\Bigl(\sum_i\frac1{a_i}\Bigr) \geq n^2 .
  4. Verbind gemiddelden met normen: voor gelijke gewichten λi=1n\lambda_i = \frac1n is Mp(x)=n1/pxpM_p(x) = n^{-1/p}\norm x_p. Verzoen in één zin over de factor n1/pn^{-1/p} de twee monotonieën — gemiddelden stijgen met pp terwijl normen dalen (vraag 10).
  5. Bepaal de gevallen van gelijkheid langs de hele keten van vraag 14 (positieve gewichten): gelijkheid ergens dwingt af dat alle xix_i gelijk zijn — de strikte convexiteit betaalt zich uit.

Deel IV — Opbrengsten.

  1. (Young met een knop) Bewijs voor a,b0a, b \geq 0 en ε>0\varepsilon > 0 dat

    abεapp+εq/pbqq,ab \leq \varepsilon\,\frac{a^p}{p} + \varepsilon^{-q/p}\,\frac{b^q}{q},

    en het werkpaardgeval abεa2+b24εab \leq \varepsilon a^2 + \frac{b^2}{4\varepsilon}: de absorptietruc die in de hele analyse wordt gebruikt.

  2. (Op weg naar Carleman) Zij ck=(k+1)kkk1c_k = \frac{(k+1)^k}{k^{k-1}}. Bewijs de telescopische identiteit k=1nck=(n+1)n\prod_{k=1}^{n}c_k = (n+1)^n, en leid met de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde toegepast op de getallen ckakc_ka_k af dat

    (a1a2an)1/n1n(n+1)k=1nckak(ak>0).(a_1a_2\cdots a_n)^{1/n} \leq \frac{1}{n(n+1)}\sum_{k=1}^{n} c_k a_k \qquad (a_k > 0).
  3. (Ongelijkheid van Carleman) Sommeer over nn, verwissel de sommatievolgorde (positieve sommeerbare families, Stelling 7.14), en gebruik nk1n(n+1)=1k\sum_{n \geq k}\frac{1}{n(n+1)} = \frac1k en ck/k=(1+1k)k<ec_k/k = \bigl(1 + \frac1k\bigr)^k < \eu om te besluiten: voor elke convergente ak\sum a_k met positieve termen geldt

    n=1(a1a2an)1/n    ek=1ak.\sum_{n=1}^{\infty}(a_1a_2\cdots a_n)^{1/n} \;\leq\; \eu\sum_{k=1}^{\infty}a_k .
  4. Bewijs voor ff continu en positief op [0,1]\intcc{0}{1} dat

    (01f)(011f)1,\Bigl(\int_0^1 f\Bigr)\Bigl(\int_0^1\frac1f\Bigr) \geq 1,

    met gelijkheid dan en slechts dan als ff constant is (Cauchy–Schwarz op f1f\sqrt f\cdot\frac1{\sqrt f}).

  5. (Meetkunde van de bollen) Toon met het geval van gelijkheid in Minkowski aan dat voor 1<p<1 < p < \infty de eenheidssfeer van p\norm\cdot_p geen enkel segment bevat (de norm is strikt convex in de zin van Probleem 5.1), terwijl zij dat voor p=1p = 1 en p=p = \infty wel doet: geef de vlakke stukken.

Deel V — Dualiteit en synthese.

  1. (Hölder als dualiteit) Bewijs dat voor elke aRna \in \R^n

    ap=maxbq1 iaibi,\norm a_p = \max_{\norm b_q \leq 1}\ \sum_i a_ib_i ,

    en geef een maximaliserende bb expliciet. (De pp-norm is de duale van de qq-norm — de eindigdimensionale kiem van de dualiteit van de LpL^p-ruimten.)

  2. (Momenten) Zij XX een stochastische variabele die eindig veel positieve waarden xix_i aanneemt met kansen λi\lambda_i. Herformuleer vraag 12 als: rE[Xr]1/rr \mapsto \E[X^r]^{1/r} stijgt — de momentongelijkheid (van Lyapunov), opnieuw te gebruiken in Hoofdstuk 22.
  3. Los op met benoemd gereedschap, in telkens twee regels: (i) voor positieve a,b,ca, b, c geldt a3+b3+c3(a+b+c)39a^3 + b^3 + c^3 \geq \frac{(a+b+c)^3}{9}; (ii) voor positieve x1,,xnx_1, \dots, x_n geldt (ixi)2nixi\bigl(\sum_i\sqrt{x_i}\bigr)^2 \leq n\sum_i x_i.
  4. (Synthese) Teken de stamboom in vijf zinnen: van de definitie met de koorde naar het hellingslemma; van de hellingen via de steunlijnen naar Jensen; van de concaviteit van ln\ln via Young en Hölder naar Minkowski en de pp-normen; van Jensen via de keten van machtgemiddelden naar de momenten; van de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde naar Carleman. Noem de toppen (Hölder en Minkowski; Carleman) en zeg waar de gereedschapskist naartoe gaat: de LpL^p-ruimten van het volume van bachelorjaar 3, waarvan de axioma’s precies de vragen 6 en 8 zijn.
Oplossing

Oplossing van Probleem 8.1.

1. Convex \Rightarrow ff' stijgend: voor a<ba < b geeft de hellingsongelijkheid bij kleine h>0h > 0 dat f(a+h)f(a)hf(b)f(a)baf(b)f(bh)h\frac{f(a+h) - f(a)}h \leq \frac{f(b) - f(a)}{b-a} \leq \frac{f(b) - f(b-h)}{h}; met h0h \to 0 volgt f(a)f(b)f(a)baf(b)f'(a) \leq \frac{f(b) - f(a)}{b - a} \leq f'(b). Omgekeerd, stijgt ff' en zijn x<y<zx < y < z, dan geeft de middelwaardestelling c1(x,y)c_1 \in \intoo{x}{y} en c2(y,z)c_2 \in \intoo yz met

f(y)f(x)yx=f(c1)f(c2)=f(z)f(y)zy,\frac{f(y) - f(x)}{y - x} = f'(c_1) \leq f'(c_2) = \frac{f(z) - f(y)}{z - y},

en deze hellingsongelijkheid in drie punten, toegepast met y=λx+(1λ)zy = \lambda x + (1 - \lambda)z, herschikt zich tot de convexiteitsongelijkheid. Voor C2C^2: f0f'' \geq 0 dan en slechts dan als ff' stijgt.

2. Is f>0f'' > 0, dan stijgt ff' strikt, en geeft de bovenstaande berekening met de middelwaardestelling een strikte ongelijkheid tussen de twee koordehellingen: strikte convexiteit. Strikte steun: is aa inwendig met steunhelling mm en geldt f(x0)=f(a)+m(x0a)f(x_0) = f(a) + m(x_0 - a) voor zekere x0ax_0 \neq a, dan vallen op het segment van aa naar x0x_0 de steunlijn en de koorde samen, en geeft de strikte convexiteit in het midden f(a+x02)<f(a)+mx0a2f\bigl(\frac{a + x_0}2\bigr) < f(a) + m\,\frac{x_0 - a}2, in strijd met de steunongelijkheid. Dus f(x)>f(a)+m(xa)f(x) > f(a) + m(x - a) voor alle xax \neq a. Strikte Jensen: met a=λixia = \sum\lambda_ix_i geeft het middelen van de steunongelijkheden λif(xi)f(a)\sum\lambda_if(x_i) \geq f(a), met gelijkheid dan en slechts dan als elke term een gelijkheid is, dat wil zeggen dan en slechts dan als elke xi=ax_i = a.

3. (ln)=1t2>0(-\ln)'' = \frac1{t^2} > 0; (tr)=r(r1)tr2(t^r)'' = r(r - 1)t^{r-2}, positief voor r>1r > 1 en negatief voor 0<r<10 < r < 1; en exp=exp>0\exp'' = \exp > 0. Alles strikt volgens vraag 2.

4. De gevallen ab=0ab = 0 zijn triviaal. Voor a,b>0a, b > 0 geeft de concaviteit van ln\ln in de punten ap,bqa^p, b^q met gewichten 1p,1q\frac1p, \frac1q:

ln(app+bqq)1pln(ap)+1qln(bq)=ln(ab),\ln\Bigl(\frac{a^p}p + \frac{b^q}q\Bigr) \geq \frac1p\ln(a^p) + \frac1q\ln(b^q) = \ln(ab),

en ln\ln stijgt: dus abapp+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q. Gelijkheid dan en slechts dan als de twee punten samenvallen (strikte concaviteit): ap=bqa^p = b^q.

5. De concaviteit van ln\ln met gewichten λi\lambda_i geeft ln(λixi)λilnxi=lnxiλi\ln\bigl(\sum\lambda_ix_i\bigr) \geq \sum\lambda_i\ln x_i = \ln\prod x_i^{\lambda_i}; exponentiëren. Gelijkheid dan en slechts dan als alle xix_i gelijk zijn (vraag 2). De weg van Oefening 8.6 kreeg dezelfde ongelijkheid als limiet van machtgemiddelden; hier is het één toepassing van Jensen — de gereedschapskist bevat ingebouwde redundantie.

6. Is a=0a = 0 of b=0b = 0, dan is de ongelijkheid triviaal. Normaliseer: vervangen we aa door a/apa/\norm a_p en bb door b/bqb/\norm b_q, dan mogen we ap=bq=1\norm a_p = \norm b_q = 1 aannemen en moeten we aibi1\sum\abs{a_ib_i} \leq 1 aantonen. Young term voor term:

iaibii(aipp+biqq)=1p+1q=1.\sum_i\abs{a_i}\abs{b_i} \leq \sum_i\Bigl(\frac{\abs{a_i}^p}{p} + \frac{\abs{b_i}^q}{q}\Bigr) = \frac1p + \frac1q = 1 .

Gelijkheid dan en slechts dan als elke ongelijkheid van Young scherp is: aip=biq\abs{a_i}^p = \abs{b_i}^q voor alle ii — na het ongedaan maken van de normalisatie: (aip)(\abs{a_i}^p) evenredig met (biq)(\abs{b_i}^q).

7. p=q=2p = q = 2 is Cauchy–Schwarz, met hetzelfde geval van gelijkheid (evenredigheid). Randgeval: aibi(maxibi)iai=a1b\sum\abs{a_ib_i} \leq \bigl(\max_i\abs{b_i}\bigr)\sum_i\abs{a_i} = \norm a_1\norm b_\infty, term voor term onmiddellijk.

8. Voor p=1p = 1 is het de driehoeksongelijkheid, term voor term. Voor p>1p > 1, met toegevoegde qq:

a+bpp=iai+bipiai+bip1ai+iai+bip1bi,\norm{a+b}_p^p = \sum_i\abs{a_i + b_i}^p \leq \sum_i\abs{a_i+b_i}^{p-1}\abs{a_i} + \sum_i\abs{a_i+b_i}^{p-1}\abs{b_i},

en Hölder op elke som, met (p1)q=p(p - 1)q = p:

iai+bip1ai(iai+bip)1/qap=a+bpp/qap,\sum_i\abs{a_i+b_i}^{p-1}\abs{a_i} \leq \Bigl(\sum_i\abs{a_i+b_i}^{p}\Bigr)^{1/q}\norm a_p = \norm{a + b}_p^{p/q}\,\norm a_p ,

en evenzo met bb. Bijgevolg is a+bppa+bpp/q(ap+bp)\norm{a+b}_p^p \leq \norm{a + b}_p^{p/q}\bigl(\norm a_p + \norm b_p\bigr); is a+b0a + b \neq 0, deel dan door a+bpp/q\norm{a+b}_p^{p/q} en gebruik ppq=1p - \frac pq = 1. Samen met de homogeniteit en de scheiding (duidelijk) is p\norm\cdot_p een norm op Rn\R^n.

9. Voor continue f,gf, g op [a,b]\intcc ab: Hölder

abfg(abfp)1/p(abgq)1/q\int_a^b\abs{fg} \leq \Bigl(\int_a^b\abs f^p\Bigr)^{1/p}\Bigl(\int_a^b\abs g^q\Bigr)^{1/q}

met dezelfde normalisatie plus puntsgewijze Young, geïntegreerd; en Minkowski f+gpfp+gp\norm{f + g}_p \leq \norm f_p + \norm g_p met dezelfde splitsing en Hölder op elk stuk. De scheiding van de norm gebruikt de strikte positiviteit: een continue fp\abs f^p met integraal nul verdwijnt identiek (volume van bachelorjaar 1).

10. Monotonie: we mogen ap=1\norm a_p = 1 aannemen; dan is elke ai1\abs{a_i} \leq 1, dus aiqaip\abs{a_i}^q \leq \abs{a_i}^p en aqq1\norm a_q^q \leq 1: dus aq1=ap\norm a_q \leq 1 = \norm a_p. Gelijkheid vereist aiq=aip\abs{a_i}^q = \abs{a_i}^p voor elke ii, dat wil zeggen elke ai{0,1}\abs{a_i} \in \{0, 1\}; met aip=1\sum\abs{a_i}^p = 1 blijft er precies één coördinaat van modulus 11 over: gelijkheid dan en slechts dan als aa hoogstens één coördinaat ongelijk aan nul heeft. Limiet: aapn1/pa\norm a_\infty \leq \norm a_p \leq n^{1/p}\norm a_\infty, en n1/p1n^{1/p} \to 1. Omgekeerde vergelijking: Hölder met de exponenten qp\frac qp en haar toegevoegde qqp\frac{q}{q-p}, toegepast op aip1\abs{a_i}^p\cdot 1:

app=iaip1(iaiq)p/qn1p/q=aqp  n1p/q,\norm a_p^p = \sum_i\abs{a_i}^p\cdot 1 \leq \Bigl(\sum_i\abs{a_i}^{q}\Bigr)^{p/q}\,n^{1 - p/q} = \norm a_q^{p}\; n^{1-p/q},

waaruit apn1p1qaq\norm a_p \leq n^{\frac1p - \frac1q}\norm a_q, met gelijkheid dan en slechts dan als alle ai\abs{a_i} gelijk zijn (het geval van gelijkheid in Hölder tegen de constante vector).

11. Schrijf air=aiθrai(1θ)r\abs{a_i}^r = \abs{a_i}^{\theta r}\,\abs{a_i}^{(1-\theta)r} en pas Hölder toe met de toegevoegde exponenten pθr\frac{p}{\theta r} en q(1θ)r\frac{q}{(1-\theta)r} (toegevoegd juist omdat θrp+(1θ)rq=1\frac{\theta r}p + \frac{(1-\theta)r}q = 1):

arr=iaiθrai(1θ)r(iaip)θr/p(iaiq)(1θ)r/q=apθraq(1θ)r.\norm a_r^r = \sum_i \abs{a_i}^{\theta r}\abs{a_i}^{(1-\theta)r} \leq \Bigl(\sum_i\abs{a_i}^{p}\Bigr)^{\theta r/p} \Bigl(\sum_i\abs{a_i}^{q}\Bigr)^{(1-\theta)r/q} = \norm a_p^{\theta r}\,\norm a_q^{(1-\theta)r} .

Neem rr-de wortels: de pp-normen zijn logaritmisch convex in 1p\frac1p.

12. Beide negatief: geldt p<q<0p < q < 0, dan is 0<q<p0 < -q < -p, en geeft Mq(y)Mp(y)M_{-q}(y) \leq M_{-p}(y) voor de positieve exponenten (het geval uit de cursus, Voorbeeld 8.8) toegepast op y=(1/xi)y = (1/x_i); het inverteren van de identiteit Mp(x)=Mp(1/x)1M_p(x) = M_{-p}(1/x)^{-1} keert de ongelijkheid om tot Mp(x)Mq(x)M_p(x) \leq M_q(x). De brug: voor q>0q > 0 geeft de concaviteit van ln\ln dat lnMq=1qln(λixiq)1qλilnxiq=lnM0\ln M_q = \frac1q\ln\bigl(\sum\lambda_ix_i^q\bigr) \geq \frac1q\sum\lambda_i\ln x_i^q = \ln M_0; voor p<0p < 0 geeft dezelfde concaviteit ln(λixip)pλilnxi\ln\bigl(\sum\lambda_ix_i^p\bigr) \geq p\sum\lambda_i\ln x_i, en deling door p<0p < 0 keert dat om: lnMplnM0\ln M_p \leq \ln M_0. Bijgevolg is MpM0MqM_p \leq M_0 \leq M_q zodra p<0<qp < 0 < q: samen met de twee gevallen met gelijk teken stijgt MM op heel R\R^* (en door 00 heen).

13. Zij xmax=maxxix_{\max} = \max x_i, aangenomen in ii^*. Voor p>0p > 0:

λi1/pxmaxMpxmax,\lambda_{i^*}^{1/p}\,x_{\max} \leq M_p \leq x_{\max},

en λi1/p1\lambda_{i^*}^{1/p} \to 1: dus MpxmaxM_p \to x_{\max}. Voor pp \to -\infty: Mp(x)=Mp(1/x)1(maxi1xi)1=minixiM_p(x) = M_{-p}(1/x)^{-1} \to \bigl(\max_i\frac1{x_i}\bigr)^{-1} = \min_ix_i.

14. Met λi=1n\lambda_i = \frac1n luidt de keten MM1M0M1M2M+M_{-\infty} \leq M_{-1} \leq M_0 \leq M_1 \leq M_2 \leq M_{+\infty} als

minn1ai(ai)1/nainai2nmax.\min \leq \frac{n}{\sum\frac1{a_i}} \leq \Bigl(\prod a_i\Bigr)^{1/n} \leq \frac{\sum a_i}{n} \leq \sqrt{\frac{\sum a_i^2}{n}} \leq \max .

De ongelijkheid tussen rekenkundig en harmonisch gemiddelde (M1M1M_{-1} \leq M_1) herschikt zich rechtstreeks tot (ai)(1ai)n2\bigl(\sum a_i\bigr)\bigl(\sum\frac1{a_i}\bigr) \geq n^2.

15. Met gelijke gewichten is Mp(x)=(1nxip)1/p=n1/pxpM_p(x) = \bigl(\frac1n\sum\abs{x_i}^p\bigr)^{1/p} = n^{-1/p}\norm x_p. Groeit pp, dan daalt xp\norm x_p (vraag 10) maar stijgt de normalisator n1/pn^{-1/p} sneller, zodat het product stijgt (vraag 12): gemiddelden middelen, normen stapelen op, en de factor n1/pn^{-1/p} is precies de wisselkoers tussen de twee boekhoudconventies.

16. Elke schakel is een geval van strikte Jensen (vraag 2) met de strikt convexe of concave functies uit vraag 3 (tq/pt^{q/p}, ln\ln), dus dwingt gelijkheid in welke schakel dan ook af dat alle xix_i gelijk zijn; en ook min=Mp\min = M_p of Mp=maxM_p = \max dwingt af dat alle waarden gelijk zijn aan het gemeenschappelijke extremum. De keten is strikt zodra twee xix_i verschillen.

17. Pas Young (vraag 4) toe op het paar ε1/pa\varepsilon^{1/p}a en ε1/pb\varepsilon^{-1/p}b:

ab=(ε1/pa)(ε1/pb)εapp+εq/pbqq.ab = (\varepsilon^{1/p}a)(\varepsilon^{-1/p}b) \leq \varepsilon\,\frac{a^p}p + \varepsilon^{-q/p}\,\frac{b^q}q .

Voor p=q=2p = q = 2, met ε\varepsilon vervangen door 2ε2\varepsilon: abεa2+b24εab \leq \varepsilon a^2 + \frac{b^2}{4\varepsilon} — de absorptieongelijkheid: een product wordt ingeruild voor een klein veelvoud van het ene kwadraat plus een groot veelvoud van het andere.

18. Telescoperen:

k=1nck=k=1n(k+1)kk=1nkk1=2132(n+1)n1021nn1=(n+1)n,\prod_{k=1}^{n}c_k = \frac{\prod_{k=1}^n(k+1)^k} {\prod_{k=1}^{n}k^{k-1}} = \frac{2^1\,3^2\cdots(n+1)^n}{1^0\,2^1\cdots n^{n-1}} = (n+1)^n,

waarbij elke factor (k+1)k(k+1)^k van de teller wegvalt tegen de volgende term van de noemer. De ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde op de nn getallen ckakc_ka_k geeft

(a1an)1/n=(kckak)1/n(n+1)1n+11nk=1nckak.(a_1\cdots a_n)^{1/n} = \frac{\bigl(\prod_k c_ka_k\bigr)^{1/n}}{(n+1)} \leq \frac{1}{n+1}\cdot\frac1n\sum_{k=1}^{n}c_ka_k .

19. Sommeren over nn en de twee sommaties verwisselen (alle termen positief: Stelling 7.14) geeft

n1(a1an)1/nn11n(n+1)k=1nckak=k1ckaknk1n(n+1)=k1ckakk,\sum_{n\geq1}(a_1\cdots a_n)^{1/n} \leq \sum_{n\geq1}\frac{1}{n(n+1)}\sum_{k=1}^{n}c_ka_k = \sum_{k\geq1}c_ka_k\sum_{n\geq k}\frac1{n(n+1)} = \sum_{k\geq1}\frac{c_ka_k}{k},

met de telescopering nk(1n1n+1)=1k\sum_{n\geq k}\bigl(\frac1n - \frac1{n+1}\bigr) = \frac1k. Ten slotte is ckk=(k+1)kkk=(1+1k)k<e\frac{c_k}k = \frac{(k+1)^k}{k^k} = \bigl(1 + \frac1k\bigr)^k < \eu (een stijgende rij met limiet e\eu, volume van bachelorjaar 1):

n1(a1an)1/nek1ak:\sum_{n\geq1}(a_1\cdots a_n)^{1/n} \leq \eu\sum_{k\geq1}a_k :

de ongelijkheid van Carleman. (De constante e\eu is optimaal, al bewijzen wij dat niet.)

20. Cauchy–Schwarz (vraag 9, p=q=2p = q = 2) toegepast op f\sqrt f en 1f\frac1{\sqrt f}:

1=(01f1f)2(01f)(011f).1 = \Bigl(\int_0^1\sqrt f\cdot\frac{1}{\sqrt f}\Bigr)^{2} \leq \Bigl(\int_0^1 f\Bigr)\Bigl(\int_0^1\frac1f\Bigr).

Gelijkheid dan en slechts dan als f\sqrt f en 1f\frac1{\sqrt f} evenredig zijn, dat wil zeggen f2f^2 constant, dat wil zeggen ff constant (want f>0f > 0 en continu).

21. Zij 1<p<1 < p < \infty, ap=bp=1\norm a_p = \norm b_p = 1, aba \neq b, en stel a+b2p=1\bigl\Vert\frac{a+b}2\bigr\Vert_p = 1, dat wil zeggen: Minkowski is voor a,ba, b een gelijkheid. Volgen we het bewijs van vraag 8, dan dwingt de gelijkheid gelijkheid af in beide toepassingen van Hölder en in de driehoeksongelijkheden per term: (aip)(\abs{a_i}^p) en (bip)(\abs{b_i}^p) zijn dan beide evenredig met (ai+bip)(\abs{a_i + b_i}^p), en ai,bia_i, b_i hebben hetzelfde teken — dus b=tab = ta voor zekere t0t \geq 0, en bp=ap\norm b_p = \norm a_p geeft t=1t = 1: dus b=ab = a, tegenspraak. De pp-sfeer bevat dus geen middelpunt van twee verschillende punten van de sfeer: geen segment. Voor p=p = \infty in R2\R^2 liggen alle (1,t)(1, t) met t1\abs t \leq 1 op de eenheidssfeer — een vlakke rib; en voor p=1p = 1 ligt het segment (t,1t)(t, 1 - t), t[0,1]t \in \intcc01, erop.

22. Voor a=0a = 0 verdwijnen beide leden. Anders begrenst Hölder elke aibi\sum a_ib_i door apbqap\norm a_p\norm b_q \leq \norm a_p. Aangenomen: neem

bi=sign(ai)aip1app/q:bqq=iai(p1)qapp=appapp=1,iaibi=appapp/q=ap,b_i = \frac{\operatorname{sign}(a_i)\,\abs{a_i}^{p-1}} {\norm a_p^{p/q}} : \qquad \norm b_q^q = \frac{\sum_i\abs{a_i}^{(p-1)q}}{\norm a_p^{p}} = \frac{\norm a_p^p}{\norm a_p^p} = 1, \quad \sum_ia_ib_i = \frac{\norm a_p^p}{\norm a_p^{p/q}} = \norm a_p ,

met (p1)q=p(p-1)q = p en ppq=1p - \frac pq = 1. Het supremum is dus een maximum, gelijk aan ap\norm a_p: elke pp-norm is de duale norm van haar toegevoegde — de kiem van de dualiteit tussen LpL^p en LqL^q.

23. Er geldt E[Xr]=iλixir\E[X^r] = \sum_i\lambda_ix_i^r, dus E[Xr]1/r=Mr(x;λ)\E[X^r]^{1/r} = M_r(x; \lambda), dat volgens vraag 12 stijgt in rr (en via de vragen 12–13 ook bij r0,±r \to 0, \pm\infty): de momentongelijkheid van Lyapunov, zuiver een uitspraak over gewogen machtgemiddelden. Zij keert voor echte stochastische variabelen terug in Hoofdstuk 22.

24. (i) De machtgemiddelden M1M3M_1 \leq M_3 met gelijke gewichten geven a+b+c3(a3+b3+c33)1/3\frac{a+b+c}3 \leq \bigl(\frac{a^3+b^3+c^3}3\bigr)^{1/3}; tot de derde macht verheffen en met 33 vermenigvuldigen geeft a3+b3+c3(a+b+c)39a^3 + b^3 + c^3 \geq \frac{(a+b+c)^3}9. (ii) Cauchy–Schwarz tegen de constante vector: ixi1(ixi)1/2n1/2\sum_i\sqrt{x_i}\cdot1 \leq \bigl(\sum_ix_i\bigr)^{1/2}n^{1/2}; kwadrateren.

25. De definitie met de koorde levert met één algebraïsche herschikking het hellingslemma; hellingen die in een punt worden ingeklemd leveren eenzijdige afgeleiden en steunlijnen, waarvan het gewogen gemiddelde Jensen is. Toegepast op ln-\ln wordt Jensen de ongelijkheid van Young, die gesommeerd tegen genormaliseerde vectoren Hölder wordt, die gesplitst en opnieuw geabsorbeerd Minkowski wordt — en zo worden de pp-normen van Hoofdstuk 5 geboren, met hun dualiteit (vraag 22) en hun meetkunde (vraag 21). Jensen langs de schaal van de machten toegepast rijgt alle gemiddelden van min\min tot max\max aaneen (vragen 12–14), wat op stochastische variabelen gelezen de momentongelijkheid is (vraag 23). En de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde levert, gewogen met één telescopische truc, de grens van Carleman met haar onherleidbare constante e\eu (vragen 18–19). De toppen: Hölder en Minkowski, en Carleman. De bestemming: de LpL^p-ruimten van het volume van bachelorjaar 3, waarvan de grondaxioma’s precies de vragen 6 en 8 zijn, met integralen in plaats van sommen.