Mathematics · Livro 4 · Bachelor Year 2

Matemática universitária — Graduação 2

Matemática universitária — Graduação 2 · Bachelor Year 2

8Funções de uma variável real

Antes que a análise passe às funções de funções (Capítulo 10), compensa conhecer a paisagem de uma variável com mais detalhe do que o primeiro ano exigia: quão descontínua pode ser uma função monótona, quão regular deve ser uma função convexa, e de que propriedades especiais gozam as derivadas (Darboux). Esses resultados estruturais são curtos, afiados e muito queridos pelos examinadores.

8.1 Funções monótonas

Teorema 8.1 (Regularidade das funções monótonas)

Seja f ⁣:I→Rf \colon I \to \R crescente num intervalo.

  1. Em todo ponto interior aa, existem os limites laterais:

    f(a−)=sup⁡x<af(x)  ≤  f(a)  ≤  f(a+)=inf⁡x>af(x);f(a^-) = \sup_{x < a} f(x) \;\leq\; f(a) \;\leq\; f(a^+) = \inf_{x > a} f(x) ;

    toda descontinuidade é um salto.

  2. O conjunto das descontinuidades de ff é no máximo enumerável.

Demonstração. (1) O conjunto {f(x):x<a}\{f(x) : x < a\} é não vazio e majorado por f(a)f(a): seu supremo ss satisfaz f(x)→sf(x) \to s quando x→a−x \to a^- (dado ε\varepsilon, algum f(x0)>s−εf(x_0) > s - \varepsilon, e a monotonicidade prende f(x)∈(s−ε, s]f(x) \in \intoc{s - \varepsilon}{s} para x∈(x0, a)x \in \intoo{x_0}{a}). Simetricamente à direita.

(2) A cada descontinuidade aa associe o intervalo aberto não vazio Ja=(f(a−), f(a+))J_a = \intoo{f(a^-)}{f(a^+)} (um salto genuíno). Para a<ba < b descontinuidades, JaJ_a e JbJ_b são disjuntos: f(a+)≤f(c)≤f(b−)f(a^+) \leq f(c) \leq f(b^-) para qualquer cc entre elas. Cada JaJ_a contém um racional; descontinuidades distintas recebem racionais distintos: uma injeção do conjunto das descontinuidades em Q\Q, que é enumerável (Proposição 1.6). ∎

Exemplo 8.2

A cota é ótima: fixe uma enumeração (rn)(r_n) de Q∩(0, 1)\Q \cap \intoo{0}{1} e ponha f(x)=∑n:rn≤x2−nf(x) = \sum_{n : r_n \leq x} 2^{-n} (uma definição por família somável, Definição 7.8). Então ff é crescente em [0, 1]\intcc{0}{1} e descontínua exatamente em cada racional de (0, 1)\intoo{0}{1} (salto 2−n2^{-n} em rnr_n): uma função monótona pode ser descontínua num conjunto enumerável denso.

Exemplo 8.3 (Os saltos não podem superar a subida)

Para ff crescente em [a, b]\intcc{a}{b}, os saltos têm um orçamento: se a<c1<⋯<cm<ba < c_1 < \dots < c_m < b são descontinuidades com saltos si=f(ci+)−f(ci−)>0s_i = f(c_i^+) - f(c_i^-) > 0, então, escolhendo pontos intercalados a<c1<t1<c2<…a < c_1 < t_1 < c_2 < \dots e usando a monotonicidade em cada pedaço,

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

a subida total majora o salto total. Consequência: para cada kk, no máximo k (f(b)−f(a))k\,\bigl(f(b) - f(a)\bigr) descontinuidades têm salto ≥1k\geq \frac1k — um refinamento quantitativo do Teorema 8.1 (2), pois o conjunto das descontinuidades é a união enumerável sobre kk desses conjuntos finitos. Na função de saltos racionais acima, o orçamento é gasto exatamente: os saltos 2−n2^{-n} somam 1=f(1+)−f(0−)1 = f(1^+) - f(0^-) no sentido estendido óbvio. As funções monótonas podem saltar densamente, mas apenas com uma mesada estrita.

8.2 Funções convexas

Lema 8.4 (Desigualdade das inclinações)

Seja ff convexa em II e x<y<zx < y < z em II. Então

f(y)−f(x)y−x  ≤  f(z)−f(x)z−x  ≤  f(z)−f(y)z−y:\frac{f(y) - f(x)}{y - x} \;\leq\; \frac{f(z) - f(x)}{z - x} \;\leq\; \frac{f(z) - f(y)}{z - y} :

as inclinações das cordas crescem nas duas extremidades.

Demonstração. Escreva y=z−yz−x x+y−xz−x zy = \frac{z - y}{z - x}\,x + \frac{y - x}{z - x}\,z: uma combinação convexa, pois os dois coeficientes são positivos e somam 11. A convexidade dá

f(y)  ≤  z−yz−x f(x)+y−xz−x f(z).f(y) \;\leq\; \frac{z-y}{z-x}\,f(x) + \frac{y-x}{z-x}\,f(z).

Para a desigualdade da esquerda, subtraia f(x)f(x) dos dois lados, usando z−yz−x−1=−y−xz−x\frac{z-y}{z-x} - 1 = -\frac{y-x}{z-x}:

f(y)−f(x)≤y−xz−x(f(z)−f(x)),f(y) - f(x) \leq \frac{y - x}{z - x}\bigl(f(z) - f(x)\bigr),

e divida por y−x>0y - x > 0. Para a desigualdade da direita, subtraia em vez disso de f(z)f(z):

f(z)−f(y)≥f(z)−z−yz−xf(x)−y−xz−xf(z)=z−yz−x(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),

e divida por z−y>0z - y > 0. Os dois passos exibidos são a mesma identidade baricêntrica lida contra uma extremidade diferente. ∎

Teorema 8.5 (Regularidade das funções convexas)

Seja ff convexa num intervalo II.

  1. Em todo ponto interior, ff tem derivadas laterais finitas fg′≤fd′f'_g \leq f'_d; ambas são funções crescentes do ponto; em particular, ff é contínua no interior de II (mas possivelmente não nas extremidades).
  2. ff fica acima de cada reta de suporte: para aa interior e qualquer m∈[fg′(a), fd′(a)]m \in \intcc{f'_g(a)}{f'_d(a)},

    f(x)≥f(a)+m(x−a)(x∈I).f(x) \geq f(a) + m(x - a) \qquad (x \in I).
  3. (Jensen, com pesos) Para xi∈Ix_i \in I e pesos λi≥0\lambda_i \geq 0, ∑λi=1\sum\lambda_i = 1:

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

Demonstração. (1) Fixe aa interior. Pelo Lema 8.4, a inclinação τ(h)=f(a+h)−f(a)h\tau(h) = \frac{f(a + h) - f(a)}{h} é uma função crescente de hh (dos dois lados, e τ(h−)≤τ(h+)\tau(h_-) \leq \tau(h_+) para h−<0<h+h_- < 0 < h_+). Logo τ\tau tem limite finito quando h→0−h \to 0^- (crescente, majorada por qualquer inclinação à direita) — esse é fg′(a)f'_g(a) — e quando h→0+h \to 0^+ (fd′(a)f'_d(a)), com fg′(a)≤fd′(a)f'_g(a) \leq f'_d(a). Derivadas laterais finitas forçam a continuidade em aa. Monotonicidade no ponto: para a<ba < b interiores, fd′(a)≤f(b)−f(a)b−a≤fg′(b)f'_d(a) \leq \frac{f(b) - f(a)}{b - a} \leq f'_g(b), de novo pela desigualdade das inclinações.

(2) Para x>ax > a: f(x)−f(a)x−a≥fd′(a)≥m\frac{f(x) - f(a)}{x - a} \geq f'_d(a) \geq m; para x<ax < a: f(a)−f(x)a−x≤fg′(a)≤m\frac{f(a) - f(x)}{a - x} \leq f'_g(a) \leq m. As duas se rearranjam na afirmação.

(3) Indução no número de pontos exatamente como no volume do primeiro ano de graduação (o caso de dois pontos é a definição) — ou de um golpe só: aplique (2) em a=∑λixia = \sum\lambda_i x_i e faça a média das desigualdades das retas de suporte nos pontos xix_i com pesos λi\lambda_i: ∑iλif(xi)≥f(a)+m∑iλi(xi−a)=f(a)\sum_i \lambda_i f(x_i) \geq f(a) + m\sum_i\lambda_i(x_i - a) = f(a). ∎

A convexidade numa só figura: entre -1.5 e 2 o gráfico de f(x) = x2 fica abaixo de sua corda (a definição) e acima da reta de suporte em x = 0.5 ( (2)) — toda desigualdade do problema de fim de semana deste capítulo é um rearranjo dessas duas posições.
A convexidade numa só figura: entre −1.5-1.5 e 22 o gráfico de f(x)=x2f(x) = x^2 fica abaixo de sua corda (a definição) e acima da reta de suporte em x=0.5x = 0.5 (Teorema 8.5 (2)) — toda desigualdade do problema de fim de semana deste capítulo é um rearranjo dessas duas posições.

Exemplo 8.6 (Descontinuidade na extremidade)

Em [0, 1]\intcc{0}{1}, a função f(0)=1f(0) = 1, f(x)=0f(x) = 0 para x>0x > 0, é convexa mas descontínua na extremidade 00: a afirmação (1) é ótima.

Exemplo 8.7 (Bicos e o feixe de retas de suporte)

Para f(x)=∣x∣f(x) = \abs x em a=0a = 0: as derivadas laterais são fg′(0)=−1f'_g(0) = -1 e fd′(0)=+1f'_d(0) = +1, e o Teorema 8.5 (2) entrega uma reta de suporte para cada inclinação m∈[−1, 1]m \in \intcc{-1}{1}:

∣x∣≥m x(x∈R, −1≤m≤1),\abs x \geq m\,x \qquad (x \in \R,\ -1 \leq m \leq 1),

cada uma sendo igualdade exatamente numa semirreta ou em 00. Uma função convexa é derivável em aa precisamente quando o feixe colapsa numa única reta (fg′(a)=fd′(a)f'_g(a) = f'_d(a)); os bicos carregam um intervalo de tangentes. Esse feixe é o germe em dimensão finita do subdiferencial da otimização convexa — e a razão pela qual as funções convexas são tão robustas: mesmo onde a derivada falha, a geometria de suporte sobrevive, e é só isso que a demonstração de Jensen usou.

Exemplo 8.8 (Desigualdade das médias de potência)

Para 0<p<q0 < p < q e xix_i positivos com pesos λi\lambda_i somando 11, aplicando Jensen à função convexa t↦tq/pt \mapsto t^{q/p} nos pontos 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} :

as médias de potência crescem com o expoente — contendo MA–MQ e, no limite p→0p \to 0 (Exercício 8.6), a desigualdade MA–MG mais uma vez.

A média de potência M_p dos valores 1, 2, 4 (pesos iguais), como função do expoente p: crescente de = 1 (quando p -∈fty) até = 4 (quando p +∈fty), passando pelas médias harmônica (p = -1), geométrica (o vão em p = 0, valor 2), aritmética (p = 1) e quadrática (p = 2). Toda a cadeia clássica das desigualdades entre médias é uma única curva crescente — demonstrada no problema de fim de semana deste capítulo, Parte III.
A média de potência MpM_p dos valores 1,2,41, 2, 4 (pesos iguais), como função do expoente pp: crescente de min⁡=1\min = 1 (quando p→−∞p \to -\infty) até max⁡=4\max = 4 (quando p→+∞p \to +\infty), passando pelas médias harmônica (p=−1p = -1), geométrica (o vão em p=0p = 0, valor 22), aritmética (p=1p = 1) e quadrática (p=2p = 2). Toda a cadeia clássica das desigualdades entre médias é uma única curva crescente — demonstrada no problema de fim de semana deste capítulo, Parte III.

Exemplo 8.9 (Entropia máxima)

Para um vetor de probabilidade (p1,…,pn)(p_1, \dots, p_n) (positivo, somando 11), a entropia H(p)=−∑ipiln⁡piH(p) = -\sum_i p_i\ln p_i satisfaz

H(p)≤ln⁡n,com igualdade se e somente se pi=1n para todo i.H(p) \leq \ln n , \qquad\text{com igualdade se e somente se } p_i = \frac1n \text{ para todo } i .

Demonstração por Jensen (Teorema 8.5 (3)) aplicado à função côncava ln⁡\ln com pesos pip_i nos pontos 1pi\frac{1}{p_i}:

H(p)=∑ipiln⁡1pi≤ln⁡(∑ipi 1pi)=ln⁡n,H(p) = \sum_i p_i\ln\frac{1}{p_i} \leq \ln\Bigl(\sum_i p_i\,\frac1{p_i}\Bigr) = \ln n ,

forçando a igualdade que todos os pontos 1pi\frac1{p_i} sejam iguais (concavidade estrita), isto é, pp uniforme. Equivalentemente, isso é Exercício 8.7 com qq uniforme. A incerteza é maximizada pela ignorância uniformemente espalhada — o princípio variacional por trás da codificação, da mecânica estatística e das aparições da entropia no Capítulo 22.

Método 8.10 (Achar a função convexa por trás de uma desigualdade)

A maioria das desigualdades clássicas é Jensen fantasiado; para despi-lo: (1) normalize de modo que apareça uma média ponderada (pesos positivos, somando 11 — divida por uma massa total se preciso); (2) veja que função é aplicada dentro e fora da média: a afirmação “f(meˊdia)≤f(\text{média}) \leq média de ff” nomeia a convexa ff; (3) certifique a convexidade pela segunda derivada e trate a igualdade pela estrita; (4) se nenhuma média está visível, tome logaritmos primeiro — produtos e potências viram médias, e a concavidade de ln⁡\ln carrega MA–MG, Young e seus parentes (o problema de fim de semana deste capítulo roda os passos 1–4 em cada um deles). Se nem os logaritmos revelam uma média, tente ler a desigualdade como monotonicidade das inclinações (Lema 8.4) — enunciados de superaditividade como Exercício 8.9 moram ali.

Observação 8.11 (Armadilhas comuns)

(i) A convexidade não é preservada por produtos: xx e (x−1)2(x - 1)^2 são convexas em [0, 2]\intcc{0}{2}, mas seu produto x(x−1)2x(x-1)^2 tem segunda derivada 6x−46x - 4, negativa em [0, 23)\intco{0}{\frac23} — não é convexo; nem a convexidade é preservada por composição sem monotonicidade (Exercício 8.10). (ii) Jensen se inverte para funções côncavas: metade das desigualdades clássicas é a versão côncava com ln⁡\ln; aplicar a forma convexa a ln⁡\ln é o modo mais rápido de demonstrar MA–MG de trás para a frente. (iii) A convexidade no ponto médio sozinha não implica convexidade — é preciso continuidade (ou mera limitação) (Exercício 8.8); os contraexemplos patológicos vivem além dos axiomas deste livro. (iv) Uma função convexa num intervalo aberto é contínua, e até localmente lipschitziana (Exercício 8.12); nas extremidades, nada é de graça. (v) As derivadas obedecem a Darboux mas não precisam ser contínuas (Exemplo 8.15): “f′f' não tem saltos” nunca significa “f′f' é contínua”.

8.3 A propriedade de Darboux

Teorema 8.12 (Darboux)

Seja ff derivável num intervalo II. Então f′f' assume todo valor entre dois quaisquer de seus valores — ainda que f′f' não precise ser contínua.

Demonstração. Sejam a<ba < b em II e vv estritamente entre f′(a)f'(a) e f′(b)f'(b), digamos f′(a)<v<f′(b)f'(a) < v < f'(b). A função g(x)=f(x)−vxg(x) = f(x) - vx é derivável com g′(a)<0<g′(b)g'(a) < 0 < g'(b): seu mínimo em [a, b]\intcc{a}{b} (atingido: continuidade num compacto) não está em aa (logo após aa, gg decresce abaixo de g(a)g(a)) nem em bb (logo antes de bb, gg está abaixo de g(b)g(b)): ele é interior, e aí g′(c)=0g'(c) = 0, isto é, f′(c)=vf'(c) = v. (Isso era um exercício com estrela do primeiro ano; seu lugar na teoria é aqui.) ∎

Exemplo 8.13 (Que funções são derivadas?)

O teorema de Darboux é uma máquina de não existência. A função piso ⌊x⌋\lfloor x\rfloor não é a derivada de nenhuma função em R\R: ela assume os valores 00 e 11 mas pula 12\frac12 em [0, 1]\intcc{0}{1}, o que o Teorema 8.12 proíbe para derivadas. O mesmo veredicto atinge toda função com salto — sinal, Heaviside, todas as funções escada — por mais inocentes que pareçam; suas “primitivas” (∣x∣\abs x para o sinal, etc.) existem apenas longe do salto e se atam ali com um bico. Contraste: a função f′f' selvagemente descontínua do Exemplo 8.15 é uma derivada — sua descontinuidade é uma oscilação, que Darboux tolera. A fronteira entre os dois comportamentos é exatamente o corolário sem saltos a seguir.

Corolário 8.14

Uma derivada não tem descontinuidades de salto: se f′(a−)f'(a^-) e f′(a+)f'(a^+) existem, eles valem f′(a)f'(a). As descontinuidades de uma derivada são sempre do tipo oscilação (a derivada de x2sin⁡1xx^2\sin\frac1x em 00, volume do primeiro ano de graduação).

Demonstração. Se f′(a+)=lim⁡x→a+f′(x)f'(a^+) = \lim_{x\to a^+} f'(x) existe e difere de f′(a)f'(a), os valores estritamente entre eles seriam pulados por f′f' numa vizinhança à direita — contradizendo Darboux nos intervalos [a, a+h]\intcc{a}{a + h}. (Alternativamente: o teorema do valor médio força f′(a)=lim⁡h→0+f(a+h)−f(a)h=f′(a+)f'(a) = \lim_{h\to0^+} \frac{f(a+h)-f(a)}{h} = f'(a^+), sendo o quociente de diferenças um valor de f′f' num ponto intermediário.) O mesmo à esquerda. ∎

Exemplo 8.15 (A derivada oscilante canônica)

Seja f(x)=x2sin⁡1xf(x) = x^2\sin\frac1x para x≠0x \neq 0 e f(0)=0f(0) = 0. Em 00: ∣f(h)−f(0)h∣=∣hsin⁡1h∣≤∣h∣→0\bigl|\frac{f(h) - f(0)}{h}\bigr| = \abs{h\sin\frac1h} \leq \abs h \to 0, logo f′(0)=0f'(0) = 0 existe. Fora de 00,

f′(x)=2xsin⁡1x−cos⁡1x,f'(x) = 2x\sin\frac1x - \cos\frac1x ,

cujo primeiro termo tende a 00 enquanto cos⁡1x\cos\frac1x oscila por [−1, 1]\intcc{-1}{1} em todo intervalo (0, δ)\intoo{0}{\delta}: o limite f′(0+)f'(0^+) não existe. Assim f′f' está definida em toda parte mas é descontínua em 00 — e, exatamente como o Corolário 8.14 prevê, a descontinuidade é uma oscilação, e não um salto: em cada (0, δ)\intoo{0}{\delta}, f′f' ainda varre um intervalo inteiro em torno de 00. As derivadas podem ser selvagens, mas só do jeito compatível com Darboux.

Observação 8.16 (Onde este capítulo é usado)

A convexidade é o motor da indústria de desigualdades: o problema de fim de semana deste capítulo fabrica dela Young, Hölder, Minkowski e a cadeia das médias de potência, que a teoria das normas do Capítulo 5 e as estimativas integrais do Capítulo 9 consomem; Jensen reaparece em probabilidade como as desigualdades de momentos do Capítulo 22. A regularidade monótona volta no Capítulo 9 (funções monótonas são integráveis) e, no volume do terceiro ano de graduação, como a derivabilidade em quase toda parte das funções monótonas — onde “uma quantidade enumerável de saltos” se torna o primeiro passo da teoria de Lebesgue.

8.4 Exercícios

Exercício 8.1 ★

Determine os conjuntos de descontinuidade e os tamanhos dos saltos: ⌊x⌋\lfloor x \rfloor;   x−⌊x⌋\;x - \lfloor x\rfloor;   ⌊x⌋+x−⌊x⌋\;\lfloor x \rfloor + \sqrt{x - \lfloor x\rfloor}; a função do exemplo que segue o Teorema 8.1 restrita aos racionais diádicos rnr_n.

Solução

Solução de Exercício 8.1.

⌊x⌋\lfloor x\rfloor: saltos de tamanho 11 em todo inteiro. x−⌊x⌋x - \lfloor x\rfloor: saltos de tamanho −1-1 nos inteiros (limite à esquerda 11, valor 00). ⌊x⌋+x−⌊x⌋\lfloor x\rfloor + \sqrt{x - \lfloor x\rfloor}: num inteiro nn, limite à esquerda (n−1)+1=n(n - 1) + 1 = n e valor nn: contínua em toda parte (a raiz quadrada conserta o salto), embora não derivável nos inteiros. A função de saltos racionais: restringindo a construção a uma enumeração dos diádicos, ela salta 2−n2^{-n} exatamente no nn-ésimo racional diádico e é contínua nos demais pontos.

Exercício 8.2 ★

Prove que uma função crescente f ⁣:I→Rf \colon I \to \R com a propriedade do valor intermediário (a imagem de todo subintervalo é um intervalo) é contínua.

Solução

Solução de Exercício 8.2.

Suponha que ff crescente tenha uma descontinuidade num ponto interior aa: então f(a−)<f(a+)f(a^-) < f(a^+) (Teorema 8.1) e a imagem de II deixa de fora o intervalo aberto não vazio (f(a−), f(a+))\intoo{f(a^-)}{f(a^+)}, salvo possivelmente o único valor f(a)f(a): a imagem de qualquer subintervalo que contenha aa em seu interior não é um intervalo (há uma lacuna de ao menos um lado de f(a)f(a)). Isso contradiz a propriedade do valor intermediário. As descontinuidades nas extremidades são excluídas do mesmo modo, com lacunas de um só lado.

Exercício 8.3 ★

Quais das seguintes são convexas em seu domínio? x↦xln⁡xx \mapsto x\ln x (x>0x > 0);   x↦ln⁡(1+ex)\;x \mapsto \ln(1 + \eu^x);   x↦1+x2\;x \mapsto \sqrt{1 + x^2};   x↦x3\;x \mapsto x^3.

Solução

Solução de Exercício 8.3.

xln⁡xx\ln x: segunda derivada 1x>0\frac1x > 0: convexa. ln⁡(1+ex)\ln(1 + \eu^x): derivada ex1+ex=1−11+ex\frac{\eu^x}{1 + \eu^x} = 1 - \frac{1}{1 + \eu^x}, crescente: convexa. 1+x2\sqrt{1 + x^2}: segunda derivada (1+x2)−3/2>0(1 + x^2)^{-3/2} > 0: convexa. x3x^3: não é convexa em R\R (f′′=6xf'' = 6x muda de sinal); convexa apenas em R+\R_+.

Exercício 8.4 ★★

Seja ff convexa em R\R e majorada. Prove que ff é constante. (Se f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b), a desigualdade das inclinações propaga a inclinação não nula da corda: além do ponto de maior valor, ff cresce ao menos linearmente — contradizendo a limitação. Trate os dois sinais da inclinação.) Deduza que uma função convexa em R\R com assíntota nas duas pontas é afim.

Solução

Solução de Exercício 8.4.

Suponha f(a)≠f(b)f(a) \neq f(b), digamos f(b)>f(a)f(b) > f(a) com a<ba < b (o caso f(b)<f(a)f(b) < f(a) é simétrico, olhando para a esquerda). Para x>bx > b, a desigualdade das inclinações (Lema 8.4) em a<b<xa < b < x dá

f(x)−f(a)x−a≥f(b)−f(a)b−a=m>0⟹f(x)≥f(a)+m(x−a)→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,

contradizendo a limitação superior. Logo ff é constante.

Assíntotas: se f(x)−(αx+β)→0f(x) - (\alpha x + \beta) \to 0 em +∞+\infty e f(x)−(α′x+β′)→0f(x) - (\alpha' x + \beta') \to 0 em −∞-\infty, a função convexa g(x)=f(x)−(αx+β)g(x) = f(x) - (\alpha x + \beta) é majorada perto de +∞+\infty; a convexidade mais uma assíntota em −∞-\infty (o que força α′≤α\alpha' \leq \alpha e depois α′=α\alpha' = \alpha ao comparar inclinações em ∓∞\mp\infty: as inclinações de uma função convexa crescem) faz gg ser majorada em todo o R\R, logo constante =0= 0 no limite: ff é afim.

Exercício 8.5 ★★

Seja ff derivável em II com f′f' monótona. Prove que f′f' é contínua (combine o Teorema 8.1 e o Corolário 8.14).

Solução

Solução de Exercício 8.5.

f′f' é monótona, logo, pelo Teorema 8.1, suas únicas descontinuidades possíveis são saltos, existindo limites laterais em toda parte. Pelo Corolário 8.14, uma derivada não tem descontinuidades de salto. Logo f′f' não tem descontinuidade alguma: é contínua.

Exercício 8.6 ★★

(A média geométrica como limite) Para xix_i positivos e pesos λi\lambda_i somando 11, prove que

lim⁡p→0+(∑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=epln⁡xi=1+pln⁡xi+O(p2)x_i^p = \eu^{p\ln x_i} = 1 + p\ln x_i + O(p^2), e deduza a desigualdade MA–MG com pesos a partir do Exemplo 8.8.

Solução

Solução de Exercício 8.6.

Tome logaritmos:

1pln⁡(∑iλixip)=1pln⁡(1+p∑iλiln⁡xi+O(p2))=∑iλiln⁡xi+O(p)→p→0+∑iλiln⁡xi,\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 ,

usando ∑λi=1\sum\lambda_i = 1 e ln⁡(1+u)=u+O(u2)\ln(1 + u) = u + O(u^2). Exponenciando, obtém-se a média geométrica. Ora, para todo p∈(0, 1)p \in \intoo{0}{1}, a desigualdade das médias de potência (Exemplo 8.8, expoentes p<1p < 1) dá

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

fazendo p→0+p \to 0^+ à esquerda obtém-se ∏ixiλi≤∑iλixi\prod_i x_i^{\lambda_i} \leq \sum_i \lambda_i x_i: a desigualdade MA–MG com pesos.

Exercício 8.7 ★★

(Desigualdade da entropia) Usando a convexidade estrita de t↦tln⁡tt \mapsto t\ln t, prove que, para pi,qip_i, q_i positivos com ∑pi=∑qi=1\sum p_i = \sum q_i = 1:

∑ipiln⁡piqi≥0,\sum_i p_i \ln\frac{p_i}{q_i} \geq 0 ,

com igualdade se e somente se p=qp = q. (Escreva o membro da esquerda como ∑qi φ(piqi)\sum q_i\, \varphi\bigl(\frac{p_i}{q_i}\bigr) com φ(t)=tln⁡t\varphi(t) = t\ln t e aplique Jensen com pesos qiq_i.)

Solução

Solução de Exercício 8.7.

Com φ(t)=tln⁡t\varphi(t) = t\ln t (convexa: φ′′=1t>0\varphi'' = \frac1t > 0) e pesos qiq_i nos pontos ti=piqit_i = \frac{p_i}{q_i}:

∑ipiln⁡piqi=∑iqi φ(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 ,

por Jensen (Teorema 8.5 (3)). A igualdade em Jensen para uma função estritamente convexa força que todos os pontos tit_i coincidam: piqi\frac{p_i}{q_i} constante e, somando, a constante vale 11: p=qp = q. (Essa quantidade — a divergência de Kullback–Leibler — volta no mundo do Capítulo 22.)

Exercício 8.8 ★★★

(Convexidade no ponto médio) f ⁣:I→Rf \colon I \to \R é convexa no ponto médio quando f(x+y2)≤f(x)+f(y)2f\bigl(\frac{x+y}{2}\bigr) \leq \frac{f(x) + f(y)}{2} sempre. Prove que uma função contínua convexa no ponto médio é convexa. (Estabeleça a desigualdade de convexidade para pesos diádicos k2m\frac{k}{2^m} por indução sobre mm e depois passe ao limite usando densidade e continuidade.)

Solução

Solução de Exercício 8.8.

Pesos diádicos. Por indução sobre mm: o caso m=1m = 1 é a hipótese. Para o peso λ=k2m+1\lambda = \frac{k}{2^{m+1}} (kk ímpar), escreva λ=12(λ1+λ2)\lambda = \frac12(\lambda_1 + \lambda_2) com λj=k∓12m+1\lambda_j = \frac{k \mp 1}{2^{m+1}}, ambos de denominador 2m2^m após simplificação; então

f(λx+(1−λ)y)=f(u+v2)≤f(u)+f(v)2≤λf(x)+(1−λ)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),

em que u=λ1x+(1−λ1)yu = \lambda_1 x + (1 - \lambda_1)y e v=λ2x+(1−λ2)yv = \lambda_2 x + (1-\lambda_2)y, usando a convexidade no ponto médio e depois a hipótese de indução em u,vu, v.

Passagem ao limite. Para λ∈[0, 1]\lambda \in \intcc{0}{1} arbitrário, tome diádicos λn→λ\lambda_n \to \lambda: a continuidade de ff e das aplicações afins passa a desigualdade f(λnx+(1−λn)y)≤λnf(x)+(1−λn)f(y)f(\lambda_n x + (1-\lambda_n)y) \leq \lambda_n f(x) + (1-\lambda_n)f(y) ao limite: ff é convexa.

Exercício 8.9 ★★★

Seja ff convexa em [0, +∞)\intco{0}{+\infty} com f(0)≤0f(0) \leq 0. Prove que x↦f(x)xx \mapsto \frac{f(x)}{x} é crescente em (0, +∞)\intoo{0}{+\infty}, e deduza que, para ff convexa com f(0)=0f(0) = 0: f(x+y)≥f(x)+f(y)f(x + y) \geq f(x) + f(y) para x,y≥0x, y \geq 0 (superaditividade).

Solução

Solução de Exercício 8.9.

Para 0<x<y0 < x < y: a desigualdade das inclinações (Lema 8.4) nos pontos 0<x<y0 < x < y dá

f(x)−f(0)x≤f(y)−f(0)y,i.e.f(x)x≤f(y)y+f(0)(1x−1y).\frac{f(x) - f(0)}{x} \leq \frac{f(y) - f(0)}{y}, \qquad\text{i.e.}\qquad \frac{f(x)}{x} \leq \frac{f(y)}{y} + f(0)\Bigl(\frac1x - \frac1y\Bigr).

Como f(0)≤0f(0) \leq 0 e 1x−1y>0\frac1x - \frac1y > 0, o último termo é ≤0\leq 0: f(x)x≤f(y)y\frac{f(x)}{x} \leq \frac{f(y)}{y}. Logo x↦f(x)xx \mapsto \frac{f(x)}x cresce.

Superaditividade para f(0)=0f(0) = 0: para x,y>0x, y > 0 (os casos com uma variável nula são triviais),

f(x)=x f(x)x≤x f(x+y)x+y,f(y)≤y f(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},

pela monotonicidade recém-demonstrada; somando, obtém-se f(x)+f(y)≤f(x+y)f(x) + f(y) \leq f(x+y).

Exercício 8.10 ★

Seja ff convexa em II e gg convexa crescente num intervalo contendo f(I)f(I). Prove que g∘fg \circ f é convexa e mostre, por um contraexemplo, que a monotonicidade de gg não pode ser dispensada.

Solução

Solução de Exercício 8.10.

Para x,y∈Ix, y \in I e λ∈[0, 1]\lambda \in \intcc01: convexidade de ff, depois monotonicidade de gg, depois convexidade de gg:

g(f(λx+(1−λ)y))≤g(λf(x)+(1−λ)f(y))≤λ g(f(x))+(1−λ) 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)).

Contraexemplo sem monotonicidade: g(t)=−tg(t) = -t é convexa (afim) mas decrescente, f(x)=x2f(x) = x^2 é convexa, e g∘f=−x2g \circ f = -x^2 é estritamente côncava.

Exercício 8.11 ★★

(Hermite–Hadamard) Seja ff convexa e contínua em [a, b]\intcc{a}{b}. Prove

f(a+b2)  ≤  1b−a∫abf(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} .

(À esquerda: integre uma reta de suporte no ponto médio. À direita: majore ff pela corda.)

Solução

Solução de Exercício 8.11.

Desigualdade da esquerda: seja m=a+b2m = \frac{a+b}2 e tome uma reta de suporte em mm (Teorema 8.5 (2)): f(t)≥f(m)+μ(t−m)f(t) \geq f(m) + \mu(t - m) para todo t∈[a, b]t \in \intcc ab. Integrando em [a, b]\intcc{a}{b}: o termo linear integra μ∫ab(t−m) ⁣dt=0\mu\int_a^b(t - m)\dd t = 0 (simetria em torno de mm), logo ∫abf≥(b−a)f(m)\int_a^b f \geq (b - a)f(m).

Desigualdade da direita: em [a, b]\intcc ab, a convexidade majora ff por sua corda: f(t)≤f(a)+f(b)−f(a)b−a(t−a)f(t) \leq f(a) + \frac{f(b) - f(a)}{b - a}(t - a). Integrando: ∫abf≤(b−a)f(a)+f(b)−f(a)b−a⋅(b−a)22=(b−a) 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. Divida por b−ab - a.

Exercício 8.12 ★★★

Prove que uma função convexa num intervalo aberto II é localmente lipschitziana: para todo segmento [a, b]⊆I\intcc{a}{b} \subseteq I e toda margem δ>0\delta > 0 com [a−δ, b+δ]⊆I\intcc{a - \delta}{b + \delta} \subseteq I, a restrição de ff a [a, b]\intcc{a}{b} é lipschitziana, com constante max⁡(∣f(a)−f(a−δ)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) (prenda toda inclinação de corda entre essas duas pela desigualdade das inclinações).

Solução

Solução de Exercício 8.12.

Sejam a−δ<a≤x<y≤b<b+δa - \delta < a \leq x < y \leq b < b + \delta, todos em II. Duas aplicações da desigualdade das inclinações (Lema 8.4), primeiro a a−δ<a≤x<ya - \delta < a \leq x < y e depois a x<y≤b<b+δx < y \leq b < b + \delta:

f(a)−f(a−δ)δ≤f(y)−f(x)y−x≤f(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}

(as inclinações das cordas crescem quando as duas extremidades se movem para a direita). Logo toda inclinação de corda dentro de [a, b]\intcc ab fica presa entre dois números fixos, e

∣f(y)−f(x)∣≤K ∣y−x∣,K=max⁡(∣f(a)−f(a−δ)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 é lipschitziana em [a, b]\intcc ab. Todo ponto do aberto II tem um tal segmento com margem à sua volta: localmente lipschitziana, logo (de novo) contínua em II.

8.5 Problema: a caixa de ferramentas da convexidade

Uma definição — a corda acima do gráfico — gera toda a caixa de ferramentas das desigualdades clássicas. Este problema de fim de semana a constrói em ordem lógica: critérios de convexidade e Jensen estrito, depois Young, Hölder e Minkowski (as certidões de nascimento das normas pp), a cadeia completa das médias de potência, do mínimo ao máximo, e dois dividendos de coroa — a desigualdade de Carleman e Hölder lido como uma dualidade. Tudo é demonstrado; nada é importado.

Problema 8.1

Problema de fim de semana — Young, Hölder, Minkowski e a cadeia das médias de potência

Em todo o problema, p,q>1p, q > 1 são expoentes conjugados: 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1; os vetores são a=(a1,…,an)∈Rna = (a_1, \dots, a_n) \in \R^n; os pesos λi>0\lambda_i > 0 satisfazem ∑iλi=1\sum_i\lambda_i = 1.

Parte I — Critérios e Jensen estrito.

  1. Seja ff derivável num intervalo II. Prove que ff é convexa se e somente se f′f' é crescente (uma direção passando ao limite na desigualdade das inclinações Lema 8.4; a outra pelo teorema do valor médio). Deduza o critério C2C^2: f′′≥0f'' \geq 0.
  2. Suponha f′′>0f''> 0 em II. Prove que ff é estritamente convexa (desigualdade estrita para x≠yx \neq y e λ∈(0, 1)\lambda \in \intoo01) e que uma função estritamente convexa satisfaz a desigualdade de Jensen (Teorema 8.5 (3)) com igualdade somente quando todos os xix_i coincidem.
  3. Certifique as matérias-primas da caixa: −ln⁡-\ln é estritamente convexa em (0, +∞)\intoo{0}{+\infty}; t↦trt \mapsto t^r é estritamente convexa aí para r>1r > 1 e estritamente côncava para 0<r<10 < r < 1; exp⁡\exp é estritamente convexa em R\R.
  4. (Desigualdade de Young) Para a,b≥0a, b \geq 0, prove

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

    com igualdade se e somente se ap=bqa^p = b^q (aplique a concavidade de ln⁡\ln aos dois pontos ap,bqa^p, b^q com pesos 1p,1q\frac1p, \frac1q).

  5. Redemonstre MA–MG com pesos em uma linha a partir da concavidade de ln⁡\ln:

    ∏ixiλi≤∑iλixi(xi>0),\prod_i x_i^{\lambda_i} \leq \sum_i\lambda_ix_i \qquad (x_i > 0),

    com o caso de igualdade; compare com o caminho por limites do Exercício 8.6.

Parte II — Hölder e Minkowski. Escreva ∥a∥p=(∑i∣ai∣p)1/p\norm{a}_p = \bigl(\sum_i \abs{a_i}^p\bigr)^{1/p} e ∥a∥∞=max⁡i∣ai∣\norm{a}_\infty = \max_i\abs{a_i}.

  1. (Hölder) Prove

    ∑i=1n∣aibi∣  ≤  ∥a∥p ∥b∥q,\sum_{i=1}^{n}\abs{a_ib_i} \;\leq\; \norm a_p\,\norm b_q ,

    com igualdade se e somente se os vetores (∣ai∣p)(\abs{a_i}^p) e (∣bi∣q)(\abs{b_i}^q) são proporcionais (normalize ∥a∥p=∥b∥q=1\norm a_p = \norm b_q = 1 e aplique Young termo a termo).

  2. Identifique os casos particulares: p=q=2p = q = 2 (Cauchy–Schwarz) e o par extremo (p,q)=(1,∞)(p, q) = (1, \infty): enuncie e prove ∑∣aibi∣≤∥a∥1∥b∥∞\sum\abs{a_ib_i} \leq \norm a_1\norm b_\infty.
  3. (Minkowski) Para p≥1p \geq 1, prove

    ∥a+b∥p≤∥a∥p+∥b∥p\norm{a + b}_p \leq \norm a_p + \norm b_p

    (escreva ∣ai+bi∣p≤∣ai+bi∣p−1(∣ai∣+∣bi∣)\abs{a_i + b_i}^p \leq \abs{a_i + b_i}^{p-1}(\abs{a_i} + \abs{b_i}) e aplique Hölder a cada produto). Conclua: ∥⋅∥p\norm\cdot_p é uma norma em Rn\R^n para todo p∈[1, +∞)p \in \intco{1}{+\infty}, completando o quadro do Capítulo 5.

  4. Versões integrais: para f,gf, g contínuas em [a, b]\intcc{a}{b}, enuncie e prove Hölder e Minkowski para ∥f∥p=(∫ab∣f∣p)1/p\norm f_p = \bigl(\int_a^b\abs f^p\bigr)^{1/p} (mesmas demonstrações, com a positividade estrita da integral para a discussão do caso de igualdade).
  5. Prove a monotonicidade ∥a∥q≤∥a∥p\norm a_q \leq \norm a_p para 1≤p≤q1 \leq p \leq q, o limite ∥a∥p→∥a∥∞\norm a_p \to \norm a_\infty quando p→∞p \to \infty, e a comparação recíproca com a constante ótima:

    ∥a∥p≤n1p−1q ∥a∥q\norm a_p \leq n^{\frac1p - \frac1q}\,\norm a_q

    (Hölder contra o vetor constante). Identifique os vetores que realizam cada igualdade.

  6. (Interpolação) Para 1≤p<r<q1 \leq p < r < q e θ∈(0, 1)\theta \in \intoo01 com 1r=θp+1−θq\frac1r = \frac\theta p + \frac{1-\theta}q, prove

    ∥a∥r≤∥a∥pθ ∥a∥q1−θ\norm a_r \leq \norm a_p^{\theta}\, \norm a_q^{1-\theta}

    (aplique Hölder com os expoentes pθr\frac{p}{\theta r} e q(1−θ)r\frac{q}{(1-\theta)r} a ∣ai∣θr∣ai∣(1−θ)r\abs{a_i}^{\theta r}\abs{a_i}^{(1-\theta)r}).

Parte III — A cadeia das médias de potência, completa. Para p≠0p \neq 0 ponha Mp=(∑iλixip)1/pM_p = \bigl(\sum_i\lambda_i x_i^p\bigr)^{1/p} (xi>0x_i > 0) e M0=∏ixiλiM_0 = \prod_i x_i^{\lambda_i}.

  1. Prove que p↦Mpp \mapsto M_p é crescente em todo o R∗\R^*: trate p<q<0p < q < 0 pela identidade dos inversos M−p(x)=Mp(1/x)−1M_{-p}(x) = M_p(1/x)^{-1} e faça a ponte por 00 mostrando que Mp≤M0≤MqM_p \leq M_0 \leq M_q para p<0<qp < 0 < q (aplique a concavidade de ln⁡\ln a xiqx_i^q e a desigualdade invertida para expoentes negativos).
  2. Prove os limites Mp→max⁡ixiM_p \to \max_i x_i quando p→+∞p \to +\infty e Mp→min⁡ixiM_p \to \min_i x_i quando p→−∞p \to -\infty.
  3. Escreva a cadeia min⁡≤HM≤GM≤AM≤QM≤max⁡\min \leq \mathrm{HM} \leq \mathrm{GM} \leq \mathrm{AM} \leq \mathrm{QM} \leq \max para pesos iguais e prove a consequência clássica: para a1,…,ana_1, \dots, a_n positivos,

    (∑iai)(∑i1ai)≥n2.\Bigl(\sum_i a_i\Bigr)\Bigl(\sum_i\frac1{a_i}\Bigr) \geq n^2 .
  4. Relacione médias e normas: para pesos iguais λi=1n\lambda_i = \frac1n, Mp(x)=n−1/p∥x∥pM_p(x) = n^{-1/p}\norm x_p. Concilie as duas monotonicidades — as médias crescem com pp enquanto as normas decrescem (questão 10) — em uma frase sobre o fator n−1/pn^{-1/p}.
  5. Determine os casos de igualdade ao longo de toda a cadeia da questão 14 (pesos positivos): a igualdade em qualquer ponto força todos os xix_i iguais — a convexidade estrita compensa.

Parte IV — Dividendos.

  1. (Young com um botão de ajuste) Para a,b≥0a, b \geq 0 e ε>0\varepsilon > 0, prove

    ab≤ε app+ε−q/p bqq,ab \leq \varepsilon\,\frac{a^p}{p} + \varepsilon^{-q/p}\,\frac{b^q}{q},

    e o caso cavalo de batalha ab≤εa2+b24εab \leq \varepsilon a^2 + \frac{b^2}{4\varepsilon}: o truque de absorção usado em toda a análise.

  2. (Rumo a Carleman) Seja ck=(k+1)kkk−1c_k = \frac{(k+1)^k}{k^{k-1}}. Prove a identidade telescópica ∏k=1nck=(n+1)n\prod_{k=1}^{n}c_k = (n+1)^n e deduza, pela MA–MG aplicada aos números ckakc_ka_k,

    (a1a2⋯an)1/n≤1n(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. (Desigualdade de Carleman) Some sobre nn, troque a ordem de somação (famílias positivas somáveis, Teorema 7.14) e use ∑n≥k1n(n+1)=1k\sum_{n \geq k}\frac{1}{n(n+1)} = \frac1k e ck/k=(1+1k)k<ec_k/k = \bigl(1 + \frac1k\bigr)^k < \eu para concluir: para toda série convergente ∑ak\sum a_k de termos positivos,

    ∑n=1∞(a1a2⋯an)1/n  ≤  e∑k=1∞ak.\sum_{n=1}^{\infty}(a_1a_2\cdots a_n)^{1/n} \;\leq\; \eu\sum_{k=1}^{\infty}a_k .
  4. Para ff contínua e positiva em [0, 1]\intcc{0}{1}, prove

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

    com igualdade se e somente se ff é constante (Cauchy–Schwarz em f⋅1f\sqrt f\cdot\frac1{\sqrt f}).

  5. (Geometria das bolas) Usando o caso de igualdade de Minkowski, mostre que, para 1<p<∞1 < p < \infty, a esfera unitária de ∥⋅∥p\norm\cdot_p não contém segmento (a norma é estritamente convexa no sentido do Problema 5.1), ao passo que, para p=1p = 1 e p=∞p = \infty, ela contém: exiba as partes retas.

Parte V — Dualidade e síntese.

  1. (Hölder como dualidade) Prove que, para todo a∈Rna \in \R^n,

    ∥a∥p=max⁡∥b∥q≤1 ∑iaibi,\norm a_p = \max_{\norm b_q \leq 1}\ \sum_i a_ib_i ,

    exibindo explicitamente um bb maximizante. (A norma pp é a dual da norma qq — o germe em dimensão finita da dualidade LpL^p.)

  2. (Momentos) Seja XX uma variável aleatória que assume um número finito de valores positivos xix_i com probabilidades λi\lambda_i. Reformule a questão 12 como: r↦E[Xr]1/rr \mapsto \E[X^r]^{1/r} é crescente — a desigualdade dos momentos (Lyapunov), a ser reutilizada no Capítulo 22.
  3. Resolva com ferramentas nomeadas, em duas linhas cada: (i) para a,b,ca, b, c positivos: a3+b3+c3≥(a+b+c)39a^3 + b^3 + c^3 \geq \frac{(a+b+c)^3}{9}; (ii) para x1,…,xnx_1, \dots, x_n positivos: (∑ixi)2≤n∑ixi\bigl(\sum_i\sqrt{x_i}\bigr)^2 \leq n\sum_i x_i.
  4. (Síntese) Trace a genealogia em cinco frases: da definição por cordas ao lema das inclinações; das inclinações às retas de suporte e a Jensen; da concavidade de ln⁡\ln a Young, a Hölder, a Minkowski e às normas pp; de Jensen à cadeia das médias de potência e aos momentos; de MA–MG a Carleman. Nomeie os cumes (Hölder–Minkowski; Carleman) e diga para onde a caixa de ferramentas se dirige: os espaços LpL^p do volume do terceiro ano de graduação, cujos axiomas são exatamente as questões 6 e 8.
Solução

Solução de Problema 8.1.

1. Convexa ⇒\Rightarrow f′f' crescente: para a<ba < b, a desigualdade das inclinações dá, para h>0h > 0 pequeno, f(a+h)−f(a)h≤f(b)−f(a)b−a≤f(b)−f(b−h)h\frac{f(a+h) - f(a)}h \leq \frac{f(b) - f(a)}{b-a} \leq \frac{f(b) - f(b-h)}{h}; fazendo h→0h \to 0: f′(a)≤f(b)−f(a)b−a≤f′(b)f'(a) \leq \frac{f(b) - f(a)}{b - a} \leq f'(b). Reciprocamente, se f′f' cresce e x<y<zx < y < z: o teorema do valor médio dá c1∈(x, y)c_1 \in \intoo{x}{y}, c2∈(y, z)c_2 \in \intoo yz com

f(y)−f(x)y−x=f′(c1)≤f′(c2)=f(z)−f(y)z−y,\frac{f(y) - f(x)}{y - x} = f'(c_1) \leq f'(c_2) = \frac{f(z) - f(y)}{z - y},

e essa desigualdade de inclinações em três pontos, aplicada com y=λx+(1−λ)zy = \lambda x + (1 - \lambda)z, se rearranja na desigualdade de convexidade. Para C2C^2: f′′≥0f'' \geq 0 se e somente se f′f' cresce.

2. Se f′′>0f'' > 0, f′f' é estritamente crescente, e o cálculo do valor médio acima dá uma desigualdade estrita entre as duas inclinações de corda: convexidade estrita. Suporte estrito: num aa interior com inclinação de suporte mm, se f(x0)=f(a)+m(x0−a)f(x_0) = f(a) + m(x_0 - a) para algum x0≠ax_0 \neq a, então, no segmento de aa a x0x_0, a reta de suporte e a corda coincidem, e a convexidade estrita no ponto médio dá f(a+x02)<f(a)+m x0−a2f\bigl(\frac{a + x_0}2\bigr) < f(a) + m\,\frac{x_0 - a}2, contradizendo a desigualdade de suporte. Logo f(x)>f(a)+m(x−a)f(x) > f(a) + m(x - a) para todo x≠ax \neq a. Jensen estrito: com a=∑λixia = \sum\lambda_ix_i, fazer a média das desigualdades de suporte dá ∑λif(xi)≥f(a)\sum\lambda_if(x_i) \geq f(a), com igualdade se e somente se cada termo é uma igualdade, isto é, se e somente se todo xi=ax_i = a.

3. (−ln⁡)′′=1t2>0(-\ln)'' = \frac1{t^2} > 0; (tr)′′=r(r−1)tr−2(t^r)'' = r(r - 1)t^{r-2}, positiva para r>1r > 1 e negativa para 0<r<10 < r < 1; exp⁡′′=exp⁡>0\exp'' = \exp > 0. Todas estritas pela questão 2.

4. Os casos ab=0ab = 0 são triviais. Para a,b>0a, b > 0, a concavidade de ln⁡\ln nos pontos ap,bqa^p, b^q com pesos 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),

e ln⁡\ln é crescente: ab≤app+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q. Igualdade se e somente se os dois pontos coincidem (concavidade estrita): ap=bqa^p = b^q.

5. Concavidade de ln⁡\ln com pesos λi\lambda_i: ln⁡(∑λixi)≥∑λiln⁡xi=ln⁡∏xiλi\ln\bigl(\sum\lambda_ix_i\bigr) \geq \sum\lambda_i\ln x_i = \ln\prod x_i^{\lambda_i}; exponencie. Igualdade se e somente se todos os xix_i forem iguais (questão 2). O caminho do Exercício 8.6 obteve a mesma desigualdade como limite de médias de potência; aqui ela é uma única aplicação de Jensen — a caixa de ferramentas tem redundância embutida.

6. Se a=0a = 0 ou b=0b = 0, a desigualdade é trivial. Normalize: substituindo aa por a/∥a∥pa/\norm a_p e bb por b/∥b∥qb/\norm b_q, podemos supor ∥a∥p=∥b∥q=1\norm a_p = \norm b_q = 1 e devemos mostrar ∑∣aibi∣≤1\sum\abs{a_ib_i} \leq 1. Young termo a termo:

∑i∣ai∣∣bi∣≤∑i(∣ai∣pp+∣bi∣qq)=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 .

Igualdade se e somente se cada desigualdade de Young é apertada: ∣ai∣p=∣bi∣q\abs{a_i}^p = \abs{b_i}^q para todo ii — desfazendo a normalização, (∣ai∣p)(\abs{a_i}^p) proporcional a (∣bi∣q)(\abs{b_i}^q).

7. p=q=2p = q = 2 é Cauchy–Schwarz com o mesmo caso de igualdade (proporcionalidade). Extremo: ∑∣aibi∣≤(max⁡i∣bi∣)∑i∣ai∣=∥a∥1∥b∥∞\sum\abs{a_ib_i} \leq \bigl(\max_i\abs{b_i}\bigr)\sum_i\abs{a_i} = \norm a_1\norm b_\infty, imediato termo a termo.

8. Para p=1p = 1 é a desigualdade triangular termo a termo. Para p>1p > 1, com qq conjugados:

∥a+b∥pp=∑i∣ai+bi∣p≤∑i∣ai+bi∣p−1∣ai∣+∑i∣ai+bi∣p−1∣bi∣,\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},

e Hölder em cada soma, notando que (p−1)q=p(p - 1)q = p:

∑i∣ai+bi∣p−1∣ai∣≤(∑i∣ai+bi∣p)1/q∥a∥p=∥a+b∥pp/q ∥a∥p,\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 ,

e do mesmo modo com bb. Logo ∥a+b∥pp≤∥a+b∥pp/q(∥a∥p+∥b∥p)\norm{a+b}_p^p \leq \norm{a + b}_p^{p/q}\bigl(\norm a_p + \norm b_p\bigr); se a+b≠0a + b \neq 0, divida por ∥a+b∥pp/q\norm{a+b}_p^{p/q} e use p−pq=1p - \frac pq = 1. Com a homogeneidade e a separação (claras), ∥⋅∥p\norm\cdot_p é uma norma em Rn\R^n.

9. Para f,gf, g contínuas em [a, b]\intcc ab: Hölder

∫ab∣fg∣≤(∫ab∣f∣p)1/p(∫ab∣g∣q)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}

pela mesma normalização mais Young pontual, integrado; e Minkowski ∥f+g∥p≤∥f∥p+∥g∥p\norm{f + g}_p \leq \norm f_p + \norm g_p pela mesma decomposição, com Hölder em cada peça. A separação da norma usa a positividade estrita: uma ∣f∣p\abs f^p contínua com integral nula se anula identicamente (volume do primeiro ano de graduação).

10. Monotonicidade: podemos supor ∥a∥p=1\norm a_p = 1; então cada ∣ai∣≤1\abs{a_i} \leq 1, logo ∣ai∣q≤∣ai∣p\abs{a_i}^q \leq \abs{a_i}^p e ∥a∥qq≤1\norm a_q^q \leq 1: ∥a∥q≤1=∥a∥p\norm a_q \leq 1 = \norm a_p. A igualdade exige ∣ai∣q=∣ai∣p\abs{a_i}^q = \abs{a_i}^p para todo ii, isto é, cada ∣ai∣∈{0,1}\abs{a_i} \in \{0, 1\}; com ∑∣ai∣p=1\sum\abs{a_i}^p = 1 isso deixa exatamente uma coordenada de módulo 11: igualdade se e somente se aa tem no máximo uma coordenada não nula. Limite: ∥a∥∞≤∥a∥p≤n1/p∥a∥∞\norm a_\infty \leq \norm a_p \leq n^{1/p}\norm a_\infty, e n1/p→1n^{1/p} \to 1. Comparação recíproca: Hölder com os expoentes qp\frac qp e seu conjugado qq−p\frac{q}{q-p}, aplicado a ∣ai∣p⋅1\abs{a_i}^p\cdot 1:

∥a∥pp=∑i∣ai∣p⋅1≤(∑i∣ai∣q)p/q n1−p/q=∥a∥qp  n1−p/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},

donde ∥a∥p≤n1p−1q∥a∥q\norm a_p \leq n^{\frac1p - \frac1q}\norm a_q, com igualdade se e somente se todos os ∣ai∣\abs{a_i} são iguais (o caso de igualdade de Hölder contra o vetor constante).

11. Escreva ∣ai∣r=∣ai∣θr ∣ai∣(1−θ)r\abs{a_i}^r = \abs{a_i}^{\theta r}\,\abs{a_i}^{(1-\theta)r} e aplique Hölder com os expoentes conjugados pθr\frac{p}{\theta r} e q(1−θ)r\frac{q}{(1-\theta)r} (conjugados precisamente porque θrp+(1−θ)rq=1\frac{\theta r}p + \frac{(1-\theta)r}q = 1):

∥a∥rr=∑i∣ai∣θr∣ai∣(1−θ)r≤(∑i∣ai∣p)θr/p(∑i∣ai∣q)(1−θ)r/q=∥a∥pθr ∥a∥q(1−θ)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} .

Tome raízes rr-ésimas: as normas pp são log-convexas em 1p\frac1p.

12. Ambos negativos: se p<q<0p < q < 0 então 0<−q<−p0 < -q < -p, e M−q(y)≤M−p(y)M_{-q}(y) \leq M_{-p}(y) para os expoentes positivos (caso do curso, Exemplo 8.8) aplicado a y=(1/xi)y = (1/x_i); inverter a identidade Mp(x)=M−p(1/x)−1M_p(x) = M_{-p}(1/x)^{-1} reverte a desigualdade para Mp(x)≤Mq(x)M_p(x) \leq M_q(x). Ponte: para q>0q > 0, a concavidade de ln⁡\ln dá ln⁡Mq=1qln⁡(∑λixiq)≥1q∑λiln⁡xiq=ln⁡M0\ln M_q = \frac1q\ln\bigl(\sum\lambda_ix_i^q\bigr) \geq \frac1q\sum\lambda_i\ln x_i^q = \ln M_0; para p<0p < 0, a mesma concavidade dá ln⁡(∑λixip)≥p∑λiln⁡xi\ln\bigl(\sum\lambda_ix_i^p\bigr) \geq p\sum\lambda_i\ln x_i, e dividir por p<0p < 0 inverte: ln⁡Mp≤ln⁡M0\ln M_p \leq \ln M_0. Logo Mp≤M0≤MqM_p \leq M_0 \leq M_q sempre que p<0<qp < 0 < q: com os dois casos de mesmo sinal, MM cresce em todo o R∗\R^* (e através de 00).

13. Seja xmax⁡=max⁡xix_{\max} = \max x_i, atingido em i∗i^*. Para p>0p > 0:

λi∗1/p xmax⁡≤Mp≤xmax⁡,\lambda_{i^*}^{1/p}\,x_{\max} \leq M_p \leq x_{\max},

e λi∗1/p→1\lambda_{i^*}^{1/p} \to 1: Mp→xmax⁡M_p \to x_{\max}. Para p→−∞p \to -\infty: Mp(x)=M−p(1/x)−1→(max⁡i1xi)−1=min⁡ixiM_p(x) = M_{-p}(1/x)^{-1} \to \bigl(\max_i\frac1{x_i}\bigr)^{-1} = \min_ix_i.

14. Com λi=1n\lambda_i = \frac1n, a cadeia M−∞≤M−1≤M0≤M1≤M2≤M+∞M_{-\infty} \leq M_{-1} \leq M_0 \leq M_1 \leq M_2 \leq M_{+\infty} se lê

min⁡≤n∑1ai≤(∏ai)1/n≤∑ain≤∑ai2n≤max⁡.\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 .

MA–MH (M−1≤M1M_{-1} \leq M_1) se rearranja diretamente em (∑ai)(∑1ai)≥n2\bigl(\sum a_i\bigr)\bigl(\sum\frac1{a_i}\bigr) \geq n^2.

15. Com pesos iguais, Mp(x)=(1n∑∣xi∣p)1/p=n−1/p∥x∥pM_p(x) = \bigl(\frac1n\sum\abs{x_i}^p\bigr)^{1/p} = n^{-1/p}\norm x_p. Quando pp cresce, ∥x∥p\norm x_p decresce (questão 10), mas o normalizador n−1/pn^{-1/p} cresce mais depressa, e o produto cresce (questão 12): as médias promediam, as normas acumulam, e o fator n−1/pn^{-1/p} é exatamente a taxa de câmbio entre as duas convenções contábeis.

16. Cada elo é um caso do Jensen estrito (questão 2) com as funções estritamente convexas ou côncavas da questão 3 (tq/pt^{q/p}, ln⁡\ln), de modo que a igualdade em qualquer elo força todos os xix_i iguais; e min⁡=Mp\min = M_p ou Mp=max⁡M_p = \max do mesmo modo força todos os valores iguais ao extremo comum. A cadeia é estrita assim que dois xix_i diferem.

17. Aplique Young (questão 4) ao par ε1/pa\varepsilon^{1/p}a e ε−1/pb\varepsilon^{-1/p}b:

ab=(ε1/pa)(ε−1/pb)≤ε app+ε−q/p bqq.ab = (\varepsilon^{1/p}a)(\varepsilon^{-1/p}b) \leq \varepsilon\,\frac{a^p}p + \varepsilon^{-q/p}\,\frac{b^q}q .

Para p=q=2p = q = 2, substituindo ε\varepsilon por 2ε2\varepsilon: ab≤εa2+b24εab \leq \varepsilon a^2 + \frac{b^2}{4\varepsilon} — a desigualdade de absorção: um produto é trocado por um pequeno múltiplo de um quadrado mais um grande múltiplo do outro.

18. Telescopagem:

∏k=1nck=∏k=1n(k+1)k∏k=1nkk−1=21 32⋯(n+1)n10 21⋯nn−1=(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,

cancelando cada fator (k+1)k(k+1)^k do numerador contra o termo seguinte do denominador. MA–MG nos nn números ckakc_ka_k:

(a1⋯an)1/n=(∏kckak)1/n(n+1)≤1n+1⋅1n∑k=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. Somando sobre nn e trocando as duas somações (todos os termos positivos: Teorema 7.14):

∑n≥1(a1⋯an)1/n≤∑n≥11n(n+1)∑k=1nckak=∑k≥1ckak∑n≥k1n(n+1)=∑k≥1ckakk,\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},

usando a telescopagem ∑n≥k(1n−1n+1)=1k\sum_{n\geq k}\bigl(\frac1n - \frac1{n+1}\bigr) = \frac1k. Por fim, ckk=(k+1)kkk=(1+1k)k<e\frac{c_k}k = \frac{(k+1)^k}{k^k} = \bigl(1 + \frac1k\bigr)^k < \eu (sequência crescente de limite e\eu, volume do primeiro ano de graduação):

∑n≥1(a1⋯an)1/n≤e∑k≥1ak:\sum_{n\geq1}(a_1\cdots a_n)^{1/n} \leq \eu\sum_{k\geq1}a_k :

a desigualdade de Carleman. (A constante e\eu é ótima, embora não o demonstremos.)

20. Cauchy–Schwarz (questão 9, p=q=2p = q = 2) aplicada a f\sqrt f e 1f\frac1{\sqrt f}:

1=(∫01f⋅1f)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).

Igualdade se e somente se f\sqrt f e 1f\frac1{\sqrt f} são proporcionais, isto é, f2f^2 constante, isto é, ff constante (f>0f > 0 contínua).

21. Sejam 1<p<∞1 < p < \infty, ∥a∥p=∥b∥p=1\norm a_p = \norm b_p = 1, a≠ba \neq b, e suponha ∥a+b2∥p=1\bigl\Vert\frac{a+b}2\bigr\Vert_p = 1, isto é, que Minkowski seja igualdade para a,ba, b. Percorrendo a demonstração da questão 8, a igualdade força a igualdade nas duas aplicações de Hölder e nas desigualdades triangulares termo a termo: (∣ai∣p)(\abs{a_i}^p) e (∣bi∣p)(\abs{b_i}^p) ambos proporcionais a (∣ai+bi∣p)(\abs{a_i + b_i}^p), e ai,bia_i, b_i de mesmo sinal — logo b=tab = ta para algum t≥0t \geq 0, e ∥b∥p=∥a∥p\norm b_p = \norm a_p dá t=1t = 1: b=ab = a, contradição. Assim a esfera pp não contém ponto médio de pontos distintos da esfera: nenhum segmento. Para p=∞p = \infty em R2\R^2: todos os (1,t)(1, t), ∣t∣≤1\abs t \leq 1, estão na esfera unitária — uma aresta reta; para p=1p = 1: o segmento (t,1−t)(t, 1 - t), t∈[0, 1]t \in \intcc01, está.

22. Para a=0a = 0 os dois membros se anulam. Caso contrário, Hölder majora todo ∑aibi\sum a_ib_i por ∥a∥p∥b∥q≤∥a∥p\norm a_p\norm b_q \leq \norm a_p. Atingimento: tome

bi=sign⁡(ai) ∣ai∣p−1∥a∥pp/q:∥b∥qq=∑i∣ai∣(p−1)q∥a∥pp=∥a∥pp∥a∥pp=1,∑iaibi=∥a∥pp∥a∥pp/q=∥a∥p,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 ,

usando (p−1)q=p(p-1)q = p e p−pq=1p - \frac pq = 1. Assim o supremo é um máximo, igual a ∥a∥p\norm a_p: cada norma pp é a norma dual de sua conjugada — o germe da dualidade LpL^p–LqL^q.

23. E[Xr]=∑iλixir\E[X^r] = \sum_i\lambda_ix_i^r, logo E[Xr]1/r=Mr(x;λ)\E[X^r]^{1/r} = M_r(x; \lambda), crescente em rr pela questão 12 (e através de r→0,±∞r \to 0, \pm\infty pelas questões 12–13): a desigualdade dos momentos de Lyapunov, puramente um enunciado sobre médias de potência com pesos. Ela volta para variáveis aleatórias de verdade no Capítulo 22.

24. (i) Médias de potência M1≤M3M_1 \leq M_3 com pesos iguais: 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}; eleve ao cubo e multiplique por 33: a3+b3+c3≥(a+b+c)39a^3 + b^3 + c^3 \geq \frac{(a+b+c)^3}9. (ii) Cauchy–Schwarz contra o vetor constante: ∑ixi⋅1≤(∑ixi)1/2n1/2\sum_i\sqrt{x_i}\cdot1 \leq \bigl(\sum_ix_i\bigr)^{1/2}n^{1/2}; eleve ao quadrado.

25. A definição por cordas fornece o lema das inclinações por um rearranjo algébrico; inclinações comprimidas num ponto produzem derivadas laterais e retas de suporte, cuja média ponderada é Jensen. Aplicado a −ln⁡-\ln, Jensen torna-se Young, que somado contra vetores normalizados é Hölder, que separado e reabsorvido é Minkowski — e as normas pp do Capítulo 5 nascem, com sua dualidade (questão 22) e sua geometria (questão 21). Jensen aplicado ao longo da escala das potências encadeia todas as médias de min⁡\min a max⁡\max (questões 12–14), o que, lido em variáveis aleatórias, é a desigualdade dos momentos (questão 23). E MA–MG, ponderada por um truque telescópico, fornece a cota de Carleman com sua constante irredutível e\eu (questões 18–19). Cumes: Hölder–Minkowski e Carleman. Destino: os espaços LpL^p do volume do terceiro ano de graduação, cujos axiomas fundadores são exatamente as questões 6 e 8 com integrais no lugar de somas.