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 stijgend op een interval.
In elk inwendig punt bestaan de eenzijdige limieten:
elke discontinuïteit is een sprong.
- De verzameling van de discontinuïteiten van is hoogstens aftelbaar.
Bewijs. (1) De verzameling is niet leeg en van boven door begrensd: haar supremum voldoet aan als (bij gegeven is er een , en de monotonie sluit in voor ). Symmetrisch aan de rechterkant.
(2) Hecht aan elke discontinuïteit het niet-lege open interval (een echte sprong). Voor discontinuïteiten zijn en disjunct: voor elke ertussen geldt . Elke bevat een rationaal getal, en verschillende discontinuïteiten krijgen verschillende rationale getallen: dat is een injectie van de verzameling discontinuïteiten in , dat aftelbaar is (Propositie 1.6). ∎
Voorbeeld 8.2
De grens is scherp: leg een opsomming van vast en zet (een definitie via een sommeerbare familie, Definitie 7.8). Dan is stijgend op en precies in elk rationaal getal van discontinu (met sprong in ): een monotone functie kan dus op een dichte aftelbare verzameling discontinu zijn.
Voorbeeld 8.3 (De sprongen kunnen de stijging niet overtreffen)
Voor stijgende op hebben de sprongen een budget: zijn discontinuïteiten met sprongen , kies dan tussenliggende punten en gebruik de monotonie op elk stuk:
de totale stijging begrenst het totale springen. Gevolg: voor elke zijn er hoogstens discontinuïteiten met sprong — een kwantitatieve verfijning van Stelling 8.1 (2), want de verzameling discontinuïteiten is de aftelbare vereniging over van deze eindige verzamelingen. Bij de functie met rationale sprongen hierboven wordt het budget precies opgemaakt: de sprongen tellen op tot 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 convex op en zijn in . Dan is
de hellingen van de koorden stijgen in beide eindpunten.
Bewijs. Schrijf : een convexe combinatie, want de twee coëfficiënten zijn positief en tellen op tot . De convexiteit geeft
Trek voor de linkerongelijkheid van beide leden af, met :
en deel door . Trek voor de rechterongelijkheid in plaats daarvan af van :
en deel door . Beide stappen zijn dezelfde barycentrische identiteit, gelezen tegen een ander eindpunt. ∎
Stelling 8.5 (Regulariteit van convexe functies)
Zij convex op een interval .
- In elk inwendig punt heeft eindige eenzijdige afgeleiden ; beide zijn stijgende functies van het punt; in het bijzonder is continu op het inwendige van (maar mogelijk niet in de eindpunten).
ligt boven elke steunlijn: voor inwendige en elke geldt
(Jensen, met gewichten) Voor en gewichten met geldt
Bewijs. (1) Leg een inwendig punt vast. Volgens Lemma 8.4 is de helling een stijgende functie van (aan beide kanten, en voor ). Bijgevolg heeft een eindige limiet als (stijgend, van boven begrensd door elke rechterhelling) — dat is — en als (), met . Eindige eenzijdige afgeleiden dwingen de continuïteit in af. Monotonie in het punt: voor inwendige is , opnieuw volgens de hellingsongelijkheid.
(2) Voor : ; voor : . 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 en middel de steunlijnongelijkheden in de punten met de gewichten : . ∎
Voorbeeld 8.6 (Discontinuïteit in een eindpunt)
Op is de functie met en voor convex maar discontinu in het eindpunt : uitspraak (1) is dus scherp.
Voorbeeld 8.7 (Knikken en de waaier van steunlijnen)
Voor in zijn de eenzijdige afgeleiden en , en Stelling 8.5 (2) deelt een steunlijn uit voor elke helling :
telkens met gelijkheid precies op een halfrechte of in . Een convexe functie is in differentieerbaar precies wanneer de waaier tot één enkele lijn inklapt (); 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 en positieve met gewichten die tot optellen geeft Jensen, toegepast op de convexe in de punten :
de machtgemiddelden stijgen met de exponent — waaronder de ongelijkheid tussen rekenkundig en kwadratisch gemiddelde, en, in de limiet (Oefening 8.6), opnieuw de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde.
Voorbeeld 8.9 (Maximale entropie)
Voor een kansvector (positief, met som ) voldoet de entropie aan
Bewijs met Jensen (Stelling 8.5 (3)) toegepast op de concave met gewichten in de punten :
waarbij gelijkheid alle punten gelijk afdwingt (strikte concaviteit), dat wil zeggen: uniform. Gelijkwaardig is dit Oefening 8.7 met uniforme . 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 — deel zo nodig door een totale massa); (2) kijk welke functie binnen en welke buiten het gemiddelde wordt toegepast: de bewering “ gemiddelde van ” noemt de convexe ; (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 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: en zijn convex op , maar hun product heeft tweede afgeleide , negatief op — 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 -versie; de convexe vorm op 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): “ heeft geen sprongen” betekent nooit “ is continu”.
8.3 De eigenschap van Darboux
Stelling 8.12 (Darboux)
Zij differentieerbaar op een interval . Dan neemt elke waarde tussen twee van haar waarden aan — ook al hoeft niet continu te zijn.
Bewijs. Zijn in en ligt strikt tussen en , zeg . De functie is differentieerbaar met : haar minimum op (aangenomen: continuïteit op een compacte verzameling) ligt niet in (net na daalt onder ) en evenmin in (net vóór ligt onder ): het is dus inwendig, en daar is , dat wil zeggen . (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 is op de afgeleide van geen enkele functie: zij neemt de waarden en aan maar slaat op 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” ( voor het teken, enzovoort) bestaan alleen buiten de sprong en knopen daar met een knik aaneen. Daartegenover is de wild discontinue 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 en , dan zijn zij gelijk aan . De discontinuïteiten van een afgeleide zijn altijd van het oscillatietype (de afgeleide van in , volume van bachelorjaar 1).
Bewijs. Bestaat en verschilt zij van , dan zouden waarden er strikt tussenin door op een rechteromgeving worden overgeslagen — in strijd met Darboux op de intervallen . (Anders gezegd: de middelwaardestelling dwingt af, want het differentiequotiënt is een waarde van in een tussenliggend punt.) Aan de linkerkant hetzelfde. ∎
Voorbeeld 8.15 (De canonieke oscillerende afgeleide)
Zij voor en . In : , dus bestaat . Buiten is
waarvan de eerste term naar gaat terwijl op elk interval het hele doorloopt: de limiet bestaat dus niet. Bijgevolg is overal gedefinieerd maar discontinu in — en, precies zoals Gevolg 8.14 voorspelt, is de discontinuïteit een oscillatie en geen sprong: op elke veegt nog steeds een heel interval rond 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 , , , en van de functie uit het voorbeeld na Stelling 8.1, beperkt tot de dyadische rationale getallen .
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.1.
: sprongen ter grootte in elk geheel getal. : sprongen ter grootte in de gehele getallen (linkerlimiet , waarde ). : in een geheel getal is de linkerlimiet en de waarde : 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 precies in het -de dyadische rationale getal en is zij elders continu.
Oefening 8.2 ★
Bewijs dat een stijgende functie met de tussenwaarde-eigenschap (het beeld van elk deelinterval is een interval) continu is.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.2.
Stel dat de stijgende een discontinuïteit heeft in een inwendig punt : dan is (Stelling 8.1) en mist het beeld van het niet-lege open interval , hoogstens op de ene waarde na: het beeld van elk deelinterval dat in zijn inwendige bevat, is dan geen interval (het heeft aan minstens één zijde van 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? (); ; ; .
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.3.
: tweede afgeleide , dus convex. : afgeleide , stijgend, dus convex. : tweede afgeleide , dus convex. : niet convex op ( wisselt van teken); alleen convex op .
Oefening 8.4 ★★
Zij convex op en van boven begrensd. Bewijs dat constant is. (Is , dan plant de hellingsongelijkheid de koordehelling ongelijk aan nul voort: voorbij het punt met de grootste waarde groeit minstens lineair — in strijd met de begrensdheid. Behandel beide tekens van de helling.) Leid af dat een convexe functie op met aan beide zijden een asymptoot affien is.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.4.
Stel , zeg met (het geval is symmetrisch, met de blik naar links). Voor geeft de hellingsongelijkheid (Lemma 8.4) op
in strijd met de begrensdheid van boven. Bijgevolg is constant.
Asymptoten: geldt bij en bij , dan is de convexe functie bij van boven begrensd; de convexiteit plus een asymptoot bij (die afdwingt en daarna door de hellingen bij te vergelijken: de hellingen van een convexe functie stijgen) maakt op heel van boven begrensd, dus constant, en in de limiet gelijk aan : is affien.
Oefening 8.5 ★★
Zij differentieerbaar op met monotoon. Bewijs dat continu is (combineer Stelling 8.1 en Gevolg 8.14).
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.5.
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 helemaal geen discontinuïteiten: zij is continu.
Oefening 8.6 ★★
(Het meetkundige gemiddelde als limiet) Bewijs voor positieve en gewichten met som dat
via , en leid daaruit met Voorbeeld 8.8 de gewogen ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde af.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.6.
Neem logaritmen:
met en . Exponentiëren geeft het meetkundige gemiddelde. Voor elke geeft de ongelijkheid van de machtgemiddelden (Voorbeeld 8.8, exponenten ) nu
links laten gaan levert : de gewogen ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde.
Oefening 8.7 ★★
(Entropieongelijkheid) Bewijs met de strikte convexiteit van dat voor positieve met geldt
met gelijkheid dan en slechts dan als . (Schrijf het linkerlid als met en pas Jensen toe met gewichten .)
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.7.
Met (convex: ) en gewichten in de punten :
volgens Jensen (Stelling 8.5 (3)). Gelijkheid in Jensen voor een strikt convexe functie dwingt af dat alle punten samenvallen: is dus constant, en na sommeren is die constante : . (Deze grootheid — de divergentie van Kullback en Leibler — keert terug in de wereld van Hoofdstuk 22.)
Oefening 8.8 ★★★
(Convexiteit in het midden) heet convex in het midden wanneer altijd . Bewijs dat een continue functie die convex in het midden is, convex is. (Stel de convexiteitsongelijkheid voor dyadische gewichten vast met inductie naar , en ga daarna met de dichtheid en de continuïteit naar de limiet.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.8.
Dyadische gewichten. Met inductie naar : het geval is de hypothese. Voor een gewicht (met oneven ) schrijven we met , na vereenvoudiging beide met noemer ; dan is
met en , waarbij eerst de convexiteit in het midden en daarna de inductiehypothese op en wordt gebruikt.
Overgang naar de limiet. Neem voor willekeurige dyadische : de continuïteit van en van de affiene afbeeldingen brengt de ongelijkheid naar de limiet: dus is convex.
Oefening 8.9 ★★★
Zij convex op met . Bewijs dat stijgt op , en leid af dat voor convexe met geldt: voor (superadditiviteit).
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.9.
Voor geeft de hellingsongelijkheid (Lemma 8.4) in de punten
Omdat en , is de laatste term : dus . Bijgevolg stijgt .
Superadditiviteit bij : voor (de gevallen met een variabele gelijk aan nul zijn triviaal) geeft de zojuist bewezen monotonie
en optellen geeft .
Oefening 8.10 ★
Zij convex op en convex en stijgend op een interval dat bevat. Bewijs dat convex is, en toon met een tegenvoorbeeld aan dat de monotonie van niet mag vervallen.
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.10.
Voor en : eerst de convexiteit van , dan de monotonie van , dan de convexiteit van :
Tegenvoorbeeld zonder monotonie: is convex (affien) maar dalend, is convex, en is strikt concaaf.
Oefening 8.11 ★★
(Hermite–Hadamard) Zij convex en continu op . Bewijs dat
(Links: integreer een steunlijn in het midden. Rechts: begrens door de koorde.)
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.11.
Linkerongelijkheid: zij en neem een steunlijn in (Stelling 8.5 (2)): voor alle . Integreren over : de lineaire term integreert tot (symmetrie rond ), dus .
Rechterongelijkheid: op begrenst de convexiteit door haar koorde: . Integreren geeft . Deel door .
Oefening 8.12 ★★★
Bewijs dat een convexe functie op een open interval lokaal Lipschitz is: voor elk segment en elke marge met is de beperking van tot Lipschitz, met constante (sluit elke koordehelling met de hellingsongelijkheid tussen deze twee in).
Oplossing
Oplossing van Oefening 8.12.
Zij , alle in . Twee toepassingen van de hellingsongelijkheid (Lemma 8.4), eerst op en daarna op :
(koordehellingen stijgen wanneer beide eindpunten naar rechts schuiven). Bijgevolg ligt elke koordehelling binnen tussen twee vaste getallen ingeklemd, en is
is dus Lipschitz op . Elk punt van het open heeft zo’n segment met marge om zich heen: dus lokaal Lipschitz, en daarmee (opnieuw) continu op .
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 -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 toegevoegde exponenten: ; vectoren zijn ; en gewichten voldoen aan .
Deel I — Criteria en strikte Jensen.
- Zij differentieerbaar op een interval . Bewijs dat convex is dan en slechts dan als stijgt (de ene richting door in de hellingsongelijkheid Lemma 8.4 naar de limiet te gaan, de andere met de middelwaardestelling). Leid het -criterium af.
- Neem aan dat op . Bewijs dat strikt convex is (strikte ongelijkheid voor en ), en dat een strikt convexe functie aan de ongelijkheid van Jensen (Stelling 8.5 (3)) alleen met gelijkheid voldoet wanneer alle samenvallen.
- Certificeer de grondstoffen van de gereedschapskist: is strikt convex op ; is daar strikt convex voor en strikt concaaf voor ; en is strikt convex op .
(Ongelijkheid van Young) Bewijs voor dat
met gelijkheid dan en slechts dan als (pas de concaviteit van toe op de twee punten met gewichten ).
Leid uit de concaviteit van in één regel opnieuw de gewogen ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde af:
met het geval van gelijkheid; vergelijk dit met de weg via de limiet uit Oefening 8.6.
Deel II — Hölder en Minkowski. Schrijf en .
(Hölder) Bewijs dat
met gelijkheid dan en slechts dan als de vectoren en evenredig zijn (normaliseer en pas Young term voor term toe).
- Benoem de bijzondere gevallen: (Cauchy–Schwarz), en het randpaar : formuleer en bewijs .
(Minkowski) Bewijs voor dat
(schrijf en pas Hölder op elk product toe). Besluit: is voor elke een norm op , wat het beeld van Hoofdstuk 5 completeert.
- Integraalversies: formuleer en bewijs Hölder en Minkowski voor met continu op (dezelfde bewijzen, met de strikte positiviteit van de integraal voor de bespreking van de gelijkheid).
Bewijs de monotonie voor , de limiet als , en de omgekeerde vergelijking met de scherpe constante:
(Hölder tegen de constante vector). Benoem de vectoren die elke gelijkheid realiseren.
(Interpolatie) Bewijs voor en met dat
(pas Hölder met de exponenten en toe op ).
Deel III — De keten van machtgemiddelden, volledig. Zet voor de waarde (), en .
- Bewijs dat op heel stijgt: behandel met de identiteit , en overbrug door aan te tonen dat voor (pas de concaviteit van toe op , en de omgekeerde ongelijkheid voor negatieve exponenten).
- Bewijs de limieten als en als .
Schrijf de keten uit voor gelijke gewichten, en bewijs het klassieke gevolg: voor positieve geldt
- Verbind gemiddelden met normen: voor gelijke gewichten is . Verzoen in één zin over de factor de twee monotonieën — gemiddelden stijgen met terwijl normen dalen (vraag 10).
- Bepaal de gevallen van gelijkheid langs de hele keten van vraag 14 (positieve gewichten): gelijkheid ergens dwingt af dat alle gelijk zijn — de strikte convexiteit betaalt zich uit.
Deel IV — Opbrengsten.
(Young met een knop) Bewijs voor en dat
en het werkpaardgeval : de absorptietruc die in de hele analyse wordt gebruikt.
(Op weg naar Carleman) Zij . Bewijs de telescopische identiteit , en leid met de ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde toegepast op de getallen af dat
(Ongelijkheid van Carleman) Sommeer over , verwissel de sommatievolgorde (positieve sommeerbare families, Stelling 7.14), en gebruik en om te besluiten: voor elke convergente met positieve termen geldt
Bewijs voor continu en positief op dat
met gelijkheid dan en slechts dan als constant is (Cauchy–Schwarz op ).
- (Meetkunde van de bollen) Toon met het geval van gelijkheid in Minkowski aan dat voor de eenheidssfeer van geen enkel segment bevat (de norm is strikt convex in de zin van Probleem 5.1), terwijl zij dat voor en wel doet: geef de vlakke stukken.
Deel V — Dualiteit en synthese.
(Hölder als dualiteit) Bewijs dat voor elke
en geef een maximaliserende expliciet. (De -norm is de duale van de -norm — de eindigdimensionale kiem van de dualiteit van de -ruimten.)
- (Momenten) Zij een stochastische variabele die eindig veel positieve waarden aanneemt met kansen . Herformuleer vraag 12 als: stijgt — de momentongelijkheid (van Lyapunov), opnieuw te gebruiken in Hoofdstuk 22.
- Los op met benoemd gereedschap, in telkens twee regels: (i) voor positieve geldt ; (ii) voor positieve geldt .
- (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 via Young en Hölder naar Minkowski en de -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 -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 stijgend: voor geeft de hellingsongelijkheid bij kleine dat ; met volgt . Omgekeerd, stijgt en zijn , dan geeft de middelwaardestelling en met
en deze hellingsongelijkheid in drie punten, toegepast met , herschikt zich tot de convexiteitsongelijkheid. Voor : dan en slechts dan als stijgt.
2. Is , dan stijgt strikt, en geeft de bovenstaande berekening met de middelwaardestelling een strikte ongelijkheid tussen de twee koordehellingen: strikte convexiteit. Strikte steun: is inwendig met steunhelling en geldt voor zekere , dan vallen op het segment van naar de steunlijn en de koorde samen, en geeft de strikte convexiteit in het midden , in strijd met de steunongelijkheid. Dus voor alle . Strikte Jensen: met geeft het middelen van de steunongelijkheden , met gelijkheid dan en slechts dan als elke term een gelijkheid is, dat wil zeggen dan en slechts dan als elke .
3. ; , positief voor en negatief voor ; en . Alles strikt volgens vraag 2.
4. De gevallen zijn triviaal. Voor geeft de concaviteit van in de punten met gewichten :
en stijgt: dus . Gelijkheid dan en slechts dan als de twee punten samenvallen (strikte concaviteit): .
5. De concaviteit van met gewichten geeft ; exponentiëren. Gelijkheid dan en slechts dan als alle 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 of , dan is de ongelijkheid triviaal. Normaliseer: vervangen we door en door , dan mogen we aannemen en moeten we aantonen. Young term voor term:
Gelijkheid dan en slechts dan als elke ongelijkheid van Young scherp is: voor alle — na het ongedaan maken van de normalisatie: evenredig met .
7. is Cauchy–Schwarz, met hetzelfde geval van gelijkheid (evenredigheid). Randgeval: , term voor term onmiddellijk.
8. Voor is het de driehoeksongelijkheid, term voor term. Voor , met toegevoegde :
en Hölder op elke som, met :
en evenzo met . Bijgevolg is ; is , deel dan door en gebruik . Samen met de homogeniteit en de scheiding (duidelijk) is een norm op .
9. Voor continue op : Hölder
met dezelfde normalisatie plus puntsgewijze Young, geïntegreerd; en Minkowski met dezelfde splitsing en Hölder op elk stuk. De scheiding van de norm gebruikt de strikte positiviteit: een continue met integraal nul verdwijnt identiek (volume van bachelorjaar 1).
10. Monotonie: we mogen aannemen; dan is elke , dus en : dus . Gelijkheid vereist voor elke , dat wil zeggen elke ; met blijft er precies één coördinaat van modulus over: gelijkheid dan en slechts dan als hoogstens één coördinaat ongelijk aan nul heeft. Limiet: , en . Omgekeerde vergelijking: Hölder met de exponenten en haar toegevoegde , toegepast op :
waaruit , met gelijkheid dan en slechts dan als alle gelijk zijn (het geval van gelijkheid in Hölder tegen de constante vector).
11. Schrijf en pas Hölder toe met de toegevoegde exponenten en (toegevoegd juist omdat ):
Neem -de wortels: de -normen zijn logaritmisch convex in .
12. Beide negatief: geldt , dan is , en geeft voor de positieve exponenten (het geval uit de cursus, Voorbeeld 8.8) toegepast op ; het inverteren van de identiteit keert de ongelijkheid om tot . De brug: voor geeft de concaviteit van dat ; voor geeft dezelfde concaviteit , en deling door keert dat om: . Bijgevolg is zodra : samen met de twee gevallen met gelijk teken stijgt op heel (en door heen).
13. Zij , aangenomen in . Voor :
en : dus . Voor : .
14. Met luidt de keten als
De ongelijkheid tussen rekenkundig en harmonisch gemiddelde () herschikt zich rechtstreeks tot .
15. Met gelijke gewichten is . Groeit , dan daalt (vraag 10) maar stijgt de normalisator sneller, zodat het product stijgt (vraag 12): gemiddelden middelen, normen stapelen op, en de factor 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 (, ), dus dwingt gelijkheid in welke schakel dan ook af dat alle gelijk zijn; en ook of dwingt af dat alle waarden gelijk zijn aan het gemeenschappelijke extremum. De keten is strikt zodra twee verschillen.
17. Pas Young (vraag 4) toe op het paar en :
Voor , met vervangen door : — de absorptieongelijkheid: een product wordt ingeruild voor een klein veelvoud van het ene kwadraat plus een groot veelvoud van het andere.
18. Telescoperen:
waarbij elke factor van de teller wegvalt tegen de volgende term van de noemer. De ongelijkheid tussen rekenkundig en meetkundig gemiddelde op de getallen geeft
19. Sommeren over en de twee sommaties verwisselen (alle termen positief: Stelling 7.14) geeft
met de telescopering . Ten slotte is (een stijgende rij met limiet , volume van bachelorjaar 1):
de ongelijkheid van Carleman. (De constante is optimaal, al bewijzen wij dat niet.)
20. Cauchy–Schwarz (vraag 9, ) toegepast op en :
Gelijkheid dan en slechts dan als en evenredig zijn, dat wil zeggen constant, dat wil zeggen constant (want en continu).
21. Zij , , , en stel , dat wil zeggen: Minkowski is voor 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: en zijn dan beide evenredig met , en hebben hetzelfde teken — dus voor zekere , en geeft : dus , tegenspraak. De -sfeer bevat dus geen middelpunt van twee verschillende punten van de sfeer: geen segment. Voor in liggen alle met op de eenheidssfeer — een vlakke rib; en voor ligt het segment , , erop.
22. Voor verdwijnen beide leden. Anders begrenst Hölder elke door . Aangenomen: neem
met en . Het supremum is dus een maximum, gelijk aan : elke -norm is de duale norm van haar toegevoegde — de kiem van de dualiteit tussen en .
23. Er geldt , dus , dat volgens vraag 12 stijgt in (en via de vragen 12–13 ook bij ): de momentongelijkheid van Lyapunov, zuiver een uitspraak over gewogen machtgemiddelden. Zij keert voor echte stochastische variabelen terug in Hoofdstuk 22.
24. (i) De machtgemiddelden met gelijke gewichten geven ; tot de derde macht verheffen en met vermenigvuldigen geeft . (ii) Cauchy–Schwarz tegen de constante vector: ; 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 wordt Jensen de ongelijkheid van Young, die gesommeerd tegen genormaliseerde vectoren Hölder wordt, die gesplitst en opnieuw geabsorbeerd Minkowski wordt — en zo worden de -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 tot 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 (vragen 18–19). De toppen: Hölder en Minkowski, en Carleman. De bestemming: de -ruimten van het volume van bachelorjaar 3, waarvan de grondaxioma’s precies de vragen 6 en 8 zijn, met integralen in plaats van sommen.