Mathematics · Libro 5 · Bachelor Year 3

Matemáticas universitarias — Grado 3

Matemáticas universitarias — Grado 3 · Bachelor Year 3

12Los espacios Lp

La integral de Lebesgue se construyó para el análisis; los espacios LpL^p son el lugar donde ese análisis vive. Son espacios de Banach (Riesz–Fischer) — los completados que, según el Ejercicio 7.1, les faltaban a las funciones continuas — y admiten una tecnología de suavizado, la convolución contra núcleos regularizantes, que aproxima cualquier función de LpL^p por funciones C∞\mathcal C^\infty. Este capítulo demuestra las versiones integrales de Hölder y Minkowski, la completitud, los teoremas de densidad y la máquina de regularización, y termina con la geografía de inclusiones e interpolación de la escala LpL^p. En todo el capítulo, (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) es un espacio de medida y las funciones toman valores complejos; sobre Rd\R^d, la medida es λd\lambda_d.

12.1 Definición; Hölder y Minkowski

Definición 12.1

Para 1≤p<∞1 \leq p < \infty, Lp(μ)\mathcal L^p(\mu) es el conjunto de las ff medibles con ∥f∥p=(∫∣f∣p ⁣dμ)1/p<∞\norm f_p = \bigl(\int\abs f^p\dd\mu\bigr)^{1/p} < \infty, y L∞(μ)\mathcal L^\infty(\mu) el conjunto de las ff acotadas fuera de un conjunto nulo, con ∥f∥∞\norm f_\infty el supremo esencial — el menor MM con ∣f∣≤M\abs f \leq M en casi todo punto (el ínfimo se alcanza: interséquense los conjuntos nulos correspondientes a M+1nM + \frac1n). Como ∥f∥p=0\norm f_p = 0 solo obliga a f=0f = 0 en casi todo punto (el Ejercicio 10.5), definimos

Lp(μ)=Lp(μ)/{f=0 en casi todo punto}:L^p(\mu) = \mathcal L^p(\mu)/\{f = 0 \text{ en casi todo punto}\} :

sus elementos son clases de funciones módulo conjuntos nulos, y ∥⋅∥p\norm\cdot_p es una norma genuina sobre LpL^p.

Teorema 12.2 (Desigualdad de Hölder)

Sean 1≤p,q≤∞1 \leq p, q \leq \infty con 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1 (exponentes conjugados). Para f,gf, g medibles:

∥fg∥1≤∥f∥p ∥g∥q,\norm{fg}_1 \leq \norm f_p\,\norm g_q ,

con igualdad (para 1<p<∞1 < p < \infty, normas finitas y f,g≠0f,g\ne0) si y solo si ∣f∣p\abs f^p y ∣g∣q\abs g^q son proporcionales en casi todo punto.

Demostración. Los casos {p,q}={1,∞}\{p, q\} = \{1, \infty\} son directos (∣fg∣≤∥g∥∞∣f∣\abs{fg} \leq \norm g_\infty\abs f en casi todo punto). Sea 1<p<∞1 < p < \infty; normalícese ∥f∥p=∥g∥q=1\norm f_p = \norm g_q = 1 (homogeneidad; las normas nulas o infinitas son triviales). La desigualdad de Young ab≤app+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q (a,b≥0a, b \geq 0; concavidad de ln⁡\ln, como en el Problema 8.1) da puntualmente ∣fg∣≤∣f∣pp+∣g∣qq\abs{f g} \leq \frac{\abs f^p}p + \frac{\abs g^q}q; intégrese: ∥fg∥1≤1p+1q=1\norm{fg}_1 \leq \frac1p + \frac1q = 1. La igualdad obliga a la igualdad en casi todo punto en Young, es decir, ∣f∣p=∣g∣q\abs f^p = \abs g^q en casi todo punto (tras la normalización; deshaciéndola, la proporcionalidad). ∎

Teorema 12.3 (Desigualdad de Minkowski)

Para 1≤p≤∞1 \leq p \leq \infty: ∥f+g∥p≤∥f∥p+∥g∥p\norm{f + g}_p \leq \norm f_p + \norm g_p.

Demostración. p=1,∞p = 1, \infty: desigualdad triangular puntual (o en casi todo punto). Para 1<p<∞1 < p < \infty, supóngase ∥f+g∥p<∞\norm{f+g}_p < \infty (si no, úsese ∣f+g∣p≤2p−1(∣f∣p+∣g∣p)\abs{f+g}^p \leq 2^{p-1}(\abs f^p + \abs g^p), que se sigue de la convexidad de tpt^p, para ver que el miembro izquierdo es finito cuando lo es el derecho). Entonces

∥f+g∥pp≤∫∣f∣ ∣f+g∣p−1+∫∣g∣ ∣f+g∣p−1≤(∥f∥p+∥g∥p) ∥∣f+g∣p−1∥q\norm{f{+}g}_p^p \leq \int\abs f\,\abs{f{+}g}^{p-1} + \int\abs g\,\abs{f{+}g}^{p-1} \leq \bigl(\norm f_p + \norm g_p\bigr)\, \bigl\|\abs{f{+}g}^{p-1}\bigr\|_q

por Hölder, y ∥∣f+g∣p−1∥q=∥f+g∥pp/q\norm{\abs{f+g}^{p-1}}_q = \norm{f+g}_p^{p/q} porque (p−1)q=p(p-1)q = p; divídase por ∥f+g∥pp/q\norm{f+g}_p^{p/q} (si no es nulo; si lo es, es trivial) y úsese p−pq=1p - \frac pq = 1. ∎

12.2 Completitud y sus compañeros

Teorema 12.4 (Riesz–Fischer)

Para 1≤p≤∞1 \leq p \leq \infty, Lp(μ)L^p(\mu) es un espacio de Banach. Además, toda sucesión convergente en LpL^p tiene una subsucesión convergente en casi todo punto (con un dominador en LpL^p si p<∞p < \infty).

Demostración. p=∞p = \infty: una sucesión de Cauchy para ∥⋅∥∞\norm\cdot_\infty es, fuera de un único conjunto nulo (unión de una cantidad numerable), uniformemente de Cauchy: converge uniformemente fuera de él; listo. Sea p<∞p < \infty. Por el Ejercicio 7.1(b) basta sumar series absolutamente convergentes: sea ∑∥fk∥p=M<∞\sum\norm{f_k}_p = M < \infty. Póngase Gn=∑k≤n∣fk∣G_n = \sum_{k \leq n}\abs{f_k} y G=∑k∣fk∣G = \sum_k\abs{f_k} (puntualmente en [0,∞][0,\infty]): por Minkowski ∥Gn∥p≤M\norm{G_n}_p \leq M, y la convergencia monótona (Gnp↗GpG_n^p \nearrow G^p) da ∫Gp≤Mp\int G^p \leq M^p: G<∞G < \infty en casi todo punto, de modo que la serie ∑fk(x)\sum f_k(x) converge absolutamente para casi todo xx; llámese S(x)S(x) a la suma (con cualquier valor sobre el conjunto nulo). Entonces ∣S−∑k≤nfk∣p≤(2G)p∈L1\abs{S - \sum_{k\leq n}f_k}^p \leq (2G)^p \in L^1, y la convergencia dominada da ∥S−∑k≤nfk∥p→0\norm{S - \sum_{k\leq n}f_k}_p \to 0: la serie converge en LpL^p.

El enunciado sobre subsucesiones: si fn→ff_n \to f en LpL^p, tómense nkn_k con ∥fnk+1−fnk∥p≤2−k\norm{f_{n_{k+1}} - f_{n_k}}_p \leq 2^{-k}; la serie ∑(fnk+1−fnk)\sum(f_{n_{k+1}} - f_{n_k}) cae bajo el argumento anterior: converge absolutamente en casi todo punto, dominada por una G∈LpG \in L^p, de modo que fnk→fn1+∑(⋯ )f_{n_k} \to f_{n_1} + \sum(\cdots) en casi todo punto, y ese límite ha de ser (un representante de) ff (ambos son límites en LpL^p). El dominador: ∣fnk∣≤∣fn1∣+G\abs{f_{n_k}} \leq \abs{f_{n_1}} + G. ∎

Observación 12.5

La convergencia en LpL^p no implica la convergencia en casi todo punto (la sucesión de la máquina de escribir, el Ejercicio 12.3), ni al revés (jorobas fugitivas): los dos modos solo están ligados a través de subsucesiones y de la dominación. Tener presentes los contraejemplos del Ejercicio 12.3 es la mejor vacuna.

12.3 Teoremas de densidad

Teorema 12.6

Sea 1≤p<∞1 \leq p < \infty.

  1. Las funciones simples (con soportes de medida finita) son densas en Lp(μ)L^p(\mu).
  2. En Lp(Rd)L^p(\R^d), las funciones continuas de soporte compacto Cc(Rd)\mathcal C_c(\R^d) son densas.
  3. La traslación es continua en Lp(Rd)L^p(\R^d): escribiendo τhf=f(⋅−h)\tau_hf = f(\cdot - h), ∥τhf−f∥p→0\norm{\tau_hf - f}_p \to 0 cuando h→0h \to 0.

Ninguno de los tres se cumple para p=∞p = \infty.

Demostración. (1) Para f≥0f \geq 0: las sn↗fs_n \nearrow f diádicas del Teorema 10.4 cumplen ∣f−sn∣p≤fp∈L1\abs{f - s_n}^p \leq f^p \in L^1: convergencia dominada. (Cada sn≤fs_n \leq f está en LpL^p, y sus conjuntos de nivel tienen medida finita allí donde el valor es positivo: μ(sn≥c)≤c−p∫fp\mu(s_n \geq c) \leq c^{-p}\int f^p.) Descompóngase una ff general en cuatro partes no negativas.

(2) Por (1) basta aproximar 1A\mathbf 1_A con AA de Borel y λd(A)<∞\lambda_d(A) < \infty. La regularidad (demostración como en el Teorema 9.13) da compacto K⊆A⊆UK \subseteq A \subseteq U abierto con λd(U∖K)<ε\lambda_d(U\setminus K) < \varepsilon; la función de Urysohn

φ(x)=d(x,Rd∖U)d(x,Rd∖U)+d(x,K)\varphi(x) = \frac{d(x, \R^d\setminus U)}{d(x, \R^d\setminus U) + d(x, K)}

es continua, vale 11 sobre KK y 00 fuera de UU, y puede tomarse de soporte compacto (redúzcase primero UU a un abierto acotado). Entonces ∥1A−φ∥pp≤λd(U∖K)<ε\norm{\mathbf 1_A - \varphi}_p^p \leq \lambda_d(U\setminus K) < \varepsilon.

(3) Para g∈Ccg \in \mathcal C_c: la continuidad uniforme da ∥τhg−g∥∞→0\norm{\tau_hg - g}_\infty \to 0, con soportes en un compacto fijo para ∣h∣≤1\abs h \leq 1: ∥τhg−g∥p→0\norm{\tau_hg - g}_p \to 0. Para ff general: tómese g∈Ccg \in \mathcal C_c con ∥f−g∥p<ε\norm{f - g}_p < \varepsilon; entonces ∥τhf−f∥p≤2∥f−g∥p+∥τhg−g∥p\norm{\tau_hf - f}_p \leq 2\norm{f - g}_p + \norm{\tau_hg - g}_p (invariancia por traslaciones de la norma).

Para p=∞p = \infty: la aproximación uniforme de 1(0, ∞)\mathbf 1_{\intoo0\infty} por funciones continuas es imposible (el salto), y ∥τh1(0, ∞)−1(0, ∞)∥∞=1\norm{\tau_h\mathbf 1_{\intoo0\infty} - \mathbf 1_{\intoo0\infty}}_\infty = 1 para h≠0h \neq 0. ∎

12.4 Convolución y regularización

Teorema 12.7 (Desigualdad de Young)

Sean 1≤p≤∞1 \leq p \leq \infty, f∈L1(Rd)f \in L^1(\R^d), g∈Lp(Rd)g \in L^p(\R^d). Entonces f∗gf * g está definida en casi todo punto, pertenece a LpL^p y

∥f∗g∥p≤∥f∥1 ∥g∥p.\norm{f * g}_p \leq \norm f_1\,\norm g_p .

Demostración. p=∞p = \infty: cota directa. p=1p = 1: el Teorema 11.9. Sean 1<p<∞1 < p < \infty y qq conjugados. Descompóngase ∣f(y)∣=∣f(y)∣1/q⋅∣f(y)∣1/p\abs{f(y)} = \abs{f(y)}^{1/q}\cdot \abs{f(y)}^{1/p} y aplíquese Hölder:

∫∣f(y)∣ ∣g(x−y)∣  ⁣dy≤(∫∣f∣)1/q(∫∣f(y)∣ ∣g(x−y)∣p  ⁣dy)1/p.\int\abs{f(y)}\,\abs{g(x{-}y)}\,\dd y \leq \Bigl(\int\abs f\Bigr)^{1/q} \Bigl(\int\abs{f(y)}\,\abs{g(x - y)}^p\,\dd y\Bigr)^{1/p} .

Elévese a la potencia pp e intégrese en xx; Tonelli sobre el segundo factor da ∥f∥1p/q⋅∥f∥1∥g∥pp\norm f_1^{p/q}\cdot\norm f_1\norm g_p^p, es decir, ∥f∗g∥pp≤∥f∥11+p/q∥g∥pp=(∥f∥1∥g∥p)p\norm{f*g}_p^p \leq \norm f_1^{1 + p/q}\norm g_p^p = (\norm f_1\norm g_p)^p — y la finitud de la integral de Tonelli justifica la convergencia absoluta en casi todo punto, igual que en Teorema 11.9. ∎

Definición 12.8 (Núcleos regularizantes)

La función

ρ(x)={c exp⁡(−11−∥x∥2)∥x∥<1,0∥x∥≥1,\rho(x) = \begin{cases} c\,\exp\Bigl(-\dfrac{1}{1 - \norm x^2}\Bigr) & \norm x < 1,\\ 0 & \norm x \geq 1, \end{cases}

con cc normalizando ∫ρ=1\int\rho = 1, es C∞\mathcal C^\infty en Rd\R^d: la clave es que t↦e−1/t1t>0t \mapsto \eu^{-1/t}\mathbf 1_{t>0} es C∞\mathcal C^\infty en R\R, con todas sus derivadas nulas en 0+0^+, iguales a 00 (cada derivada es P(1/t)e−1/tP(1/t)\eu^{-1/t} para cierto polinomio PP, que tiende a 00; inducción). Para ε>0\varepsilon > 0, póngase ρε(x)=ε−dρ(x/ε)\rho_\varepsilon(x) = \varepsilon^{-d}\rho(x/\varepsilon): de soporte en Bˉ(0,ε)\bar B(0, \varepsilon) y todavía de integral 11.

Teorema 12.9 (Regularización)

Sean 1≤p<∞1 \leq p < \infty y f∈Lp(Rd)f \in L^p(\R^d). Entonces:

  1. f∗ρε∈C∞(Rd)f * \rho_\varepsilon \in \mathcal C^\infty(\R^d), con ∂α(f∗ρε)=f∗∂αρε\partial^\alpha(f * \rho_\varepsilon) = f * \partial^\alpha\rho_\varepsilon;
  2. ∥f∗ρε−f∥p→0\norm{f * \rho_\varepsilon - f}_p \to 0 cuando ε→0\varepsilon \to 0;
  3. en consecuencia, Cc∞(Rd)\mathcal C^\infty_c(\R^d) es denso en Lp(Rd)L^p(\R^d).

Demostración. (1) Derivación bajo el signo integral (el Teorema 10.15) en xx: para xx en una bola BB, ∣∂xiρε(x−y)∣≤Cε 1K(y)\abs{\partial_{x_i}\rho_\varepsilon(x - y)} \leq C_\varepsilon\,\mathbf 1_{K}(y) con KK compacto (yy a distancia ε\varepsilon de BB), y ∣f∣ 1K∈L1\abs f\,\mathbf 1_K \in L^1 (Hölder contra 1K\mathbf 1_K): el teorema se aplica; itérese para las derivadas de orden superior.

(2) Como ∫ρε=1\int\rho_\varepsilon = 1:

(f∗ρε)(x)−f(x)=∫(f(x−y)−f(x))ρε(y)  ⁣dy,(f * \rho_\varepsilon)(x) - f(x) = \int \bigl(f(x - y) - f(x)\bigr)\rho_\varepsilon(y)\,\dd y ,

y la desigualdad integral de Minkowski — o directamente: Hölder o Jensen con la medida de probabilidad ρε ⁣dy\rho_\varepsilon\dd y, y Tonelli —

∥f∗ρε−f∥pp≤∫(∫∣f(x−y)−f(x)∣p ⁣dx)ρε(y)  ⁣dy=∫∥τyf−f∥pp  ρε(y)  ⁣dy\norm{f*\rho_\varepsilon - f}_p^p \leq \int\Bigl(\int\abs{f(x-y) - f(x)}^p\dd x\Bigr)\rho_\varepsilon(y)\,\dd y = \int \norm{\tau_yf - f}_p^p\;\rho_\varepsilon(y)\,\dd y

(el paso intermedio: aplíquese la desigualdad de Jensen, el Ejercicio 12.10, a la integral interior en yy, y después Tonelli). El integrando tiene soporte en ∥y∥≤ε\norm y \leq \varepsilon y tiende allí a 00 uniformemente cuando ε→0\varepsilon \to 0 (el Teorema 12.6(3)): toda la expresión tiende a 00.

(3) Aproxímese ff por g∈Ccg \in \mathcal C_c (el Teorema 12.6(2)) y después gg por g∗ρε∈Cc∞g * \rho_\varepsilon \in \mathcal C_c^\infty (soporte compacto: suma de soportes). ∎

Ejemplo 12.10 (Regularizar ∣x∣\abs x, con velocidades)

Tómese f(x)=∣x∣f(x) = \abs x en R\R (localmente L1L^1; el teorema se aplica en toda ventana acotada) y un núcleo regularizante simétrico ρε\rho_\varepsilon. Entonces

fε(x)=(f∗ρε)(x)=∫∣x−y∣ ρε(y)  ⁣dyf_\varepsilon(x) = (f * \rho_\varepsilon)(x) = \int\abs{x - y}\,\rho_\varepsilon(y)\,\dd y

es C∞\mathcal C^\infty; lejos del pico no pasa nada: para ∣x∣≥ε\abs x \geq \varepsilon, ∣x−y∣\abs{x - y} es lineal en xx sobre el soporte de ρε\rho_\varepsilon, luego fε(x)=∣x∣f_\varepsilon(x) = \abs x exactamente (la simetría anula la corrección). Cerca de 00, el suavizado cuesta exactamente

0≤fε(0)=∫∣y∣ ρε(y)  ⁣dy≤ε,∥fε−f∥∞≤ε:0 \leq f_\varepsilon(0) = \int\abs y\,\rho_\varepsilon(y)\,\dd y \leq \varepsilon, \qquad \norm{f_\varepsilon - f}_\infty \leq \varepsilon :

el error de aproximación queda confinado al entorno de tamaño ε\varepsilon de la singularidad y es de su tamaño. Entretanto fε′′≥0f_\varepsilon'' \geq 0 en todas partes (ff es convexa, y la convolución contra ρε≥0\rho_\varepsilon \geq 0 conserva la convexidad), con ∫fε′′=fε′(∞)−fε′(−∞)=2\int f_\varepsilon'' = f_\varepsilon'(\infty) - f_\varepsilon'(-\infty) = 2: la derivada segunda es una joroba de masa 22 comprimida en una anchura O(ε)O(\varepsilon), de modo que ∥fε′′∥∞≳ε−1\norm{f_\varepsilon''}_\infty \gtrsim \varepsilon^{-1}. El suavizado es un trueque: error uniforme O(ε)O(\varepsilon) frente a explosión de la derivada O(ε−1)O(\varepsilon^{-1}) — el tipo de cambio exacto que el análisis cuantitativo (desigualdades de interpolación, el círculo de ideas del Problema 12.1) formaliza.

Corolario 12.11 (Lema fundamental del cálculo de variaciones)

Sea f∈Lloc1(Rd)f \in L^1_{\mathrm{loc}}(\R^d) (integrable sobre los compactos) con ∫fφ=0\int f\varphi = 0 para toda φ∈Cc∞(Rd)\varphi \in \mathcal C^\infty_c(\R^d). Entonces f=0f = 0 en casi todo punto.

Demostración. Fíjese una bola B=B(0,R)B = B(0, R) y sea g=f1B(0,R+1)∈L1g = f\mathbf 1_{B(0, R+1)} \in L^1. Para x∈Bx \in B y ε<1\varepsilon < 1: (g∗ρε)(x)=∫f(y)ρε(x−y) ⁣dy=0(g * \rho_\varepsilon)(x) = \int f(y)\rho_\varepsilon(x - y)\dd y = 0, siendo la función de prueba y↦ρε(x−y)∈Cc∞y \mapsto \rho_\varepsilon(x-y) \in \mathcal C_c^\infty. Pero g∗ρε→gg * \rho_\varepsilon \to g en L1L^1 (el Teorema 12.9): g=0g = 0 en casi todo punto de BB; agótese Rd\R^d. ∎

12.5 La geografía de los espacios LpL^p

Proposición 12.12

(a) Si μ(X)<∞\mu(X) < \infty y 1≤p≤q≤∞1 \leq p \leq q \leq \infty, entonces Lq⊆LpL^q \subseteq L^p con ∥f∥p≤μ(X)1p−1q ∥f∥q\norm f_p \leq \mu(X)^{\frac1p - \frac1q}\,\norm f_q. (b) Sobre Rd\R^d (medida infinita) no hay inclusiones: para p≠qp \neq q hay funciones en Lp∖LqL^p\setminus L^q. (c) (Interpolación) Si p<r<qp < r < q y α∈(0, 1)\alpha \in \intoo01 está definido por 1r=αp+1−αq\frac1r = \frac\alpha p + \frac{1 - \alpha}q, entonces

∥f∥r≤∥f∥pα ∥f∥q1−α;\norm f_r \leq \norm f_p^{\alpha}\,\norm f_q^{1 - \alpha} ;

en particular, Lp∩Lq⊆LrL^p \cap L^q \subseteq L^r.

Demostración. (a) Hölder con los exponentes qp\frac qp y su conjugado: ∫∣f∣p⋅1≤∥∣f∣p∥q/p ∥1∥(q/p)′=∥f∥qp μ(X)1−p/q\int\abs f^p\cdot 1 \leq \norm{\abs f^p}_{q/p}\,\norm 1_{(q/p)'} = \norm f_q^p\,\mu(X)^{1 - p/q} (q=∞q = \infty directamente). (b) Cerca de 00 y cerca de ∞\infty, las potencias x−αx^{-\alpha} calibran: el Ejercicio 12.2. (c) Escríbase ∣f∣r=∣f∣rα∣f∣r(1−α)\abs f^r = \abs f^{r\alpha}\abs f^{r(1-\alpha)} y aplíquese Hölder con el par conjugado prα\frac p{r\alpha}, qr(1−α)\frac q{r(1-\alpha)} (conjugados precisamente por la definición de α\alpha): ∫∣f∣r≤∥f∥prα∥f∥qr(1−α)\int\abs f^r \leq \norm f_p^{r\alpha}\norm f_q^{r(1 - \alpha)}. ∎

Método 12.13

El instrumental de LpL^p, tal como se usa en todo lo que sigue: para demostrar una identidad o una desigualdad para todo f∈Lpf \in L^p — demuéstrese sobre una clase densa (Cc∞\mathcal C_c^\infty mediante el Teorema 12.9) y extiéndase por continuidad (el Teorema 7.2, siendo ambos miembros LpL^p-continuos); para demostrar f=0f = 0, evalúese contra Cc∞\mathcal C_c^\infty (el Corolario 12.11); para ganar regularidad, convoluciónese; para cambiar de exponente, Hölder e interpolación. La teoría de Fourier del Capítulo 14 es una larga aplicación de este método.

12.6 Ejercicios

Ejercicio 12.1 ★

(a) Enunciar y demostrar la desigualdad de Cauchy–Schwarz en L2(μ)L^2(\mu) como el caso p=q=2p = q = 2 de Hölder. (b) Sobre un espacio de probabilidad, demostrar que p↦∥f∥pp \mapsto \norm f_p es no decreciente. (c) ¿Cuándo es Hölder una igualdad para p=1p = 1, q=∞q = \infty?

Solución

Solución de Ejercicio 12.1.

(a) p=q=2p = q = 2 en el Teorema 12.2: ∣∫fgˉ  ⁣dμ∣≤∫∣fg∣≤∥f∥2∥g∥2\abs{\int f\bar g\,\dd\mu} \leq \int\abs{fg} \leq \norm f_2\norm g_2 — Cauchy–Schwarz, con igualdad si y solo si ∣f∣,∣g∣\abs f, \abs g son proporcionales y las fases están alineadas.

(b) Sobre un espacio de probabilidad, para p≤qp \leq q: aplíquese Jensen (el Ejercicio 12.10) con la función convexa Φ(t)=∣t∣q/p\Phi(t) = \abs t^{q/p} a la función ∣f∣p\abs f^p: (∫∣f∣p)q/p≤∫∣f∣q\bigl(\int\abs f^p\bigr)^{q/p} \leq \int\abs f^q, i.e. ∥f∥p≤∥f∥q\norm f_p \leq \norm f_q.

(c) ∫∣fg∣=∥f∥1∥g∥∞\int\abs{fg} = \norm f_1\norm g_\infty si y solo si ∣g∣=∥g∥∞\abs{g} = \norm g_\infty en casi todo punto de {f≠0}\{f \neq 0\} (la desigualdad ∣fg∣≤∣f∣∥g∥∞\abs{fg} \leq \abs f\norm g_\infty ha de ser una igualdad en casi todo punto).

Ejercicio 12.2 ★

¿Para qué p∈[1, ∞)p \in \intco1\infty pertenecen las siguientes funciones a LpL^p?

x−1/21(0, 1),x−1/21(1, ∞),1x1/2(1+∣ln⁡x∣) en (0, 1),11+∣x∣ en R.x^{-1/2}\mathbf 1_{\intoo01},\qquad x^{-1/2}\mathbf 1_{\intoo1\infty},\qquad \frac{1}{x^{1/2}(1 + \abs{\ln x})}\ \text{en } \intoo01, \qquad \frac1{1 + \abs x}\ \text{en } \R .

Conclúyase: en (0, 1)\intoo01, pp pequeño es más fácil; en (1, ∞)\intoo1\infty, pp grande es más fácil; y ningún LpL^p contiene a otro en R\R.

Solución

Solución de Ejercicio 12.2.

∫01x−p/2 ⁣dx<∞\int_0^1 x^{-p/2}\dd x < \infty si y solo si p<2p < 2: la primera está en LpL^p para p∈[1, 2)p \in \intco12. ∫1∞x−p/2 ⁣dx<∞\int_1^\infty x^{-p/2}\dd x < \infty si y solo si p>2p > 2: la segunda, para p∈(2, ∞)p \in \intoo2\infty (y p=∞p = \infty: está acotada — inclúyase). Tercera: para p<2p < 2, dominada por x−p/2x^{-p/2}: integrable; para p=2p = 2, sustitúyase u=−ln⁡xu = -\ln x: ∫01 ⁣dxx(1+∣ln⁡x∣)2=∫0∞ ⁣du(1+u)2<∞\int_0^1\frac{\dd x}{x(1 + \abs{\ln x})^2} = \int_0^\infty\frac{\dd u}{(1 + u)^2} < \infty; para p>2p > 2 la potencia domina: divergente. Luego p∈[1, 2]p \in \intcc12. Cuarta: ∫R ⁣dx(1+∣x∣)p<∞\int_\R\frac{\dd x}{(1 + \abs x)^p} < \infty si y solo si p>1p > 1; y está acotada, luego también L∞L^\infty: p∈(1, ∞]p \in \intoc1\infty. Moraleja: la integrabilidad en 00 prefiere pp pequeño y en ∞\infty prefiere pp grande; combinando ambas obstrucciones, no hay inclusión entre espacios Lp(R)L^p(\R).

Ejercicio 12.3 ★★

(La máquina de escribir) Enumérense los intervalos diádicos I1=[0, 1]I_1 = \intcc01, I2=[0, 12]I_2 = \intcc0{\frac12}, I3=[12, 1]I_3 = \intcc{\frac12}1, I4=[0, 14]I_4 = \intcc0{\frac14}, … y sea fn=1Inf_n = \mathbf 1_{I_n}. (a) Demostrar que fn→0f_n \to 0 en todo Lp([0, 1])L^p(\intcc01), p<∞p < \infty, pero que (fn(x))(f_n(x)) diverge para todo x∈[0, 1]x \in \intcc01. (b) Exhibir la subsucesión convergente en casi todo punto que promete el Teorema 12.4. (c) Recíprocamente, dese una sucesión que converja en casi todo punto pero no en L1L^1, y otra que converja en L1L^1 pero en ningún LpL^p, p>1p > 1.

Solución

Solución de Ejercicio 12.3.

(a) ∥fn∥pp=λ(In)→0\norm{f_n}_p^p = \lambda(I_n) \to 0 (en el nivel diádico kk la longitud es 2−k2^{-k}). Pero todo xx está en un intervalo de cada nivel diádico: fn(x)=1f_n(x) = 1 infinitas veces y =0= 0 infinitas veces (intervalos del mismo nivel que no contienen xx): no hay convergencia en ningún punto.

(b) fnk=1[0, 2−k]f_{n_k} = \mathbf 1_{\intcc0{2^{-k}}} (el primer intervalo de cada nivel) converge a 00 en todo x>0x > 0: en casi todo punto.

(c) En casi todo punto pero no en L1L^1: n1(0, 1/n)→0n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} \to 0 en casi todo punto, con integral 11. En L1L^1 pero en ningún LpL^p (p>1p > 1): gn=en 1(0, e−n/n)g_n = \eu^n\,\mathbf 1_{(0,\ \eu^{-n}/n)}: ∥gn∥1=1n→0\norm{g_n}_1 = \frac1n \to 0, mientras que ∥gn∥pp=e(p−1)n/n→∞\norm{g_n}_p^p = \eu^{(p-1)n}/n \to \infty para todo p>1p > 1.

Ejercicio 12.4 ★★

Sean μ(X)<∞\mu(X) < \infty y f∈L∞(μ)f \in L^\infty(\mu), f≠0f \neq 0. Demostrar que ∥f∥p→∥f∥∞\norm f_p \to \norm f_\infty cuando p→∞p \to \infty. (Cota superior por (a) de la Proposición 12.12; cota inferior integrando sobre {∣f∣>∥f∥∞−ε}\{\abs f > \norm f_\infty - \varepsilon\}, de medida positiva.)

Solución

Solución de Ejercicio 12.4.

Superior: ∥f∥p≤μ(X)1/p∥f∥∞\norm f_p \leq \mu(X)^{1/p}\norm f_\infty (la Proposición 12.12(a) con q=∞q = \infty), y μ(X)1/p→1\mu(X)^{1/p} \to 1. Inferior: para ε>0\varepsilon > 0, A={∣f∣>∥f∥∞−ε}A = \{\abs f > \norm f_\infty - \varepsilon\} cumple μ(A)>0\mu(A) > 0 (definición del supremo esencial), y

∥f∥p≥(∫A∣f∣p)1/p≥(∥f∥∞−ε) μ(A)1/p→p→∞∥f∥∞−ε.\norm f_p \geq \Bigl(\int_A \abs f^p\Bigr)^{1/p} \geq (\norm f_\infty - \varepsilon)\,\mu(A)^{1/p} \xrightarrow[p\to\infty]{} \norm f_\infty - \varepsilon .

Ejercicio 12.5 ★★

(a) ¿Dónde usa exactamente la demostración del Teorema 12.6(3) que p<∞p < \infty? (b) Demostrar que f∈L∞(R)f \in L^\infty(\R) cumple ∥τhf−f∥∞→0\norm{\tau_hf - f}_\infty \to 0 si y solo si ff tiene un representante uniformemente continuo.

Solución

Solución de Ejercicio 12.5.

(a) Dos veces: la conversión ∥τhg−g∥p≤C1/p∥τhg−g∥∞\norm{\tau_hg - g}_p \leq C^{1/p}\norm{\tau_hg - g}_\infty (soporte de medida finita) degenera para p=∞p = \infty únicamente en que allí falla la densidad de Cc\mathcal C_c — esa es la laguna real: el paso (2) del Teorema 12.6 no tiene análogo L∞L^\infty.

(b) Si ff tiene un representante uniformemente continuo gg: ∥τhf−f∥∞=sup⁡x∣g(x−h)−g(x)∣→0\norm{\tau_hf - f}_\infty = \sup_x\abs{g(x - h) - g(x)} \to 0. Recíprocamente, supóngase ∥τhf−f∥∞→0\norm{\tau_hf - f}_\infty \to 0. Las regularizaciones fε=f∗ρεf_\varepsilon = f * \rho_\varepsilon son continuas, y

∥fε−f∥∞≤sup⁡∥y∥≤ε∥τyf−f∥∞⟶0\norm{f_\varepsilon - f}_\infty \leq \sup_{\norm y \leq \varepsilon}\norm{\tau_yf - f}_\infty \longrightarrow 0

(la convolución es un promedio de trasladadas). Cada fεf_\varepsilon es uniformemente continua (∥τhfε−fε∥∞≤∥τhf−f∥∞\norm{\tau_hf_\varepsilon - f_\varepsilon}_\infty \leq \norm{\tau_hf - f}_\infty, promediando), y un límite uniforme de funciones uniformemente continuas lo es: ff coincide en casi todo punto con una función uniformemente continua.

Ejercicio 12.6 ★★

Sean p,qp, q conjugados, f∈Lp(Rd)f \in L^p(\R^d), g∈Lq(Rd)g \in L^q(\R^d). Demostrar que f∗gf * g está definida en todo punto, es acotada, con ∥f∗g∥∞≤∥f∥p∥g∥q\norm{f*g}_\infty \leq \norm f_p\norm g_q, y uniformemente continua. (Continuidad de la traslación en LpL^p; trátese p∈{1,∞}p \in \{1, \infty\} aparte — para p=∞p = \infty, úsese la continuidad de la traslación sobre el factor L1L^1.)

Solución

Solución de Ejercicio 12.6.

Por Hölder, para todo xx el integrando y↦f(x−y)g(y)y \mapsto f(x - y)g(y) está en L1L^1 con ∣(f∗g)(x)∣≤∥f∥p∥g∥q\abs{(f*g)(x)} \leq \norm f_p\norm g_q: definida en todo punto y acotada. Continuidad uniforme (p<∞p < \infty):

∣(f∗g)(x+h)−(f∗g)(x)∣=∣∫(τ−hf−f)(x−y) g(y) ⁣dy∣≤∥τ−hf−f∥p ∥g∥q→h→00,\abs{(f*g)(x + h) - (f*g)(x)} = \Bigl|\int\bigl(\tau_{-h}f - f\bigr)(x - y)\,g(y)\dd y\Bigr| \leq \norm{\tau_{-h}f - f}_p\,\norm g_q \xrightarrow[h\to0]{} 0,

uniformemente en xx (el Teorema 12.6(3)). Si p=∞p = \infty, entonces q=1q = 1: escríbase f∗g=g∗ff * g = g * f y repítase la misma cota con la traslación actuando sobre g∈L1g \in L^1.

Ejercicio 12.7 ★★

Sea f∈Lloc1((a, b))f \in L^1_{\mathrm{loc}}(\intoo ab) con ∫fφ′=0\int f\varphi' = 0 para toda φ∈Cc∞((a, b))\varphi \in \mathcal C^\infty_c(\intoo ab). Demostrar que ff es igual en casi todo punto a una constante. (Fíjese χ∈Cc∞\chi \in \mathcal C_c^\infty con ∫χ=1\int\chi = 1; toda ψ∈Cc∞\psi \in \mathcal C_c^\infty con ∫ψ=0\int\psi = 0 es una φ′\varphi'; escríbase una función de prueba general como ψ+(∫ψ)χ\psi + (\int\psi)\chi y aplíquese el Corolario 12.11 a f−cf - c con c=∫fχc = \int f\chi.)

Solución

Solución de Ejercicio 12.7.

Fíjese χ∈Cc∞((a, b))\chi \in \mathcal C_c^\infty(\intoo ab) con ∫χ=1\int\chi = 1 y póngase c=∫fχc = \int f\chi. Sea φ∈Cc∞\varphi \in \mathcal C_c^\infty arbitraria y ψ=φ−(∫φ)χ\psi = \varphi - \bigl(\int\varphi\bigr)\chi: entonces ∫ψ=0\int\psi = 0, de modo que Φ(x)=∫axψ\Phi(x) = \int_a^x\psi define Φ∈Cc∞((a, b))\Phi \in \mathcal C_c^\infty(\intoo ab) (se anula cerca de ambos extremos: cerca de aa trivialmente, y cerca de bb porque la integral total es 00) con Φ′=ψ\Phi' = \psi. La hipótesis da ∫fψ=∫fΦ′=0\int f\psi = \int f\Phi' = 0, luego

∫fφ=(∫φ)∫fχ=∫c φpara todo φ:∫(f−c)φ=0.\int f\varphi = \Bigl(\int\varphi\Bigr)\int f\chi = \int c\,\varphi \quad\text{para todo } \varphi: \qquad \int(f - c)\varphi = 0 .

Por el Corolario 12.11 (localizado en (a, b)\intoo ab), f=cf = c en casi todo punto.

Ejercicio 12.8 ★★★

(Urysohn regular) Sean K⊆U⊆RdK \subseteq U \subseteq \R^d, KK compacto y UU abierto. Constrúyase φ∈Cc∞(Rd)\varphi \in \mathcal C^\infty_c(\R^d) con 0≤φ≤10 \leq \varphi \leq 1, φ=1\varphi = 1 sobre KK y supp⁡φ⊆U\operatorname{supp}\varphi \subseteq U. (Regularícese el indicador del entorno KδK_\delta de tamaño δ\delta de KK con ρδ/2\rho_{\delta/2}, para δ\delta pequeño.) Dedúzcase un enunciado de partición de la unidad C∞\mathcal C^\infty para un compacto recubierto por un número finito de abiertos.

Solución

Solución de Ejercicio 12.8.

Sean 3δ<d(K,Rd∖U)3\delta < d(K, \R^d\setminus U) (positiva: el Ejercicio 6.6(b); si U=RdU = \R^d, sirve cualquier δ\delta), Kδ={x:d(x,K)≤δ}K_\delta = \{x : d(x, K) \leq \delta\} y

φ=1Kδ∗ρδ/2.\varphi = \mathbf 1_{K_\delta} * \rho_{\delta/2} .

Entonces φ∈C∞\varphi \in \mathcal C^\infty (el Teorema 12.9(1); el indicador es L1L^1), 0≤φ≤10 \leq \varphi \leq 1 (∫ρ=1\int\rho = 1), φ=1\varphi = 1 sobre KK (para x∈Kx \in K, Bˉ(x,δ/2)⊆Kδ\bar B(x, \delta/2) \subseteq K_\delta, de modo que la convolución integra ρ\rho por completo) y supp⁡φ⊆K3δ/2⊆U\operatorname{supp}\varphi \subseteq K_{3\delta/2} \subseteq U: de soporte compacto (KδK_\delta está acotado). Partición de la unidad: dado K⊆U1∪⋯∪UmK \subseteq U_1\cup\dots\cup U_m, elíjanse (por compacidad) compactos Ki⊆UiK_i \subseteq U_i con K⊆⋃K˚iK \subseteq \bigcup \mathring K_i, tómense φi\varphi_i como arriba para (Ki,Ui)(K_i, U_i) y póngase ψi=φi∏j<i(1−φj)\psi_i = \varphi_i\prod_{j <i}(1 - \varphi_j): cada ψi∈Cc∞(Ui)\psi_i \in \mathcal C_c^\infty(U_i), y ∑iψi=1−∏i(1−φi)=1\sum_i\psi_i = 1 - \prod_i(1 - \varphi_i) = 1 sobre KK.

Ejercicio 12.9 ★★

Usando la interpolación (la Proposición 12.12(c)): (a) demuéstrese que L1(R)∩L∞(R)⊆Lp(R)L^1(\R)\cap L^\infty(\R) \subseteq L^p(\R) para todo pp, con ∥f∥p≤∥f∥11/p∥f∥∞1−1/p\norm f_p \leq \norm f_1^{1/p}\norm f_\infty^{1 - 1/p}; (b) demuéstrese que f↦∥f∥pf \mapsto \norm f_p es, para ff fija, logarítmicamente convexa en 1p\frac1p, y dese un ejemplo en el que f∈Lpf \in L^p exactamente para pp en un intervalo dado (p0,p1)(p_0, p_1).

Solución

Solución de Ejercicio 12.9.

(a) El exponente de interpolación de (p0,q0)=(1,∞)(p_0, q_0) = (1, \infty) en r=pr = p es α=1p\alpha = \frac1p: la Proposición 12.12(c) da ∥f∥p≤∥f∥11/p∥f∥∞1−1/p\norm f_p \leq \norm f_1^{1/p}\norm f_\infty^{1 - 1/p}.

(b) Tomando logaritmos en la Proposición 12.12(c): ln⁡∥f∥r≤αln⁡∥f∥p+(1−α)ln⁡∥f∥q\ln\norm f_r \leq \alpha\ln\norm f_p + (1-\alpha)\ln\norm f_q, donde 1r\frac1r es la misma combinación convexa de 1p,1q\frac1p, \frac1q: 1p↦ln⁡∥f∥p\frac1p \mapsto \ln\norm f_p es convexa. Ejemplo con pertenencia a LpL^p exactamente en (p0, p1)\intoo{p_0}{p_1}:

f(x)=x−1/p1 1(0, 1)(x)+x−1/p0 1[1, ∞)(x):f(x) = x^{-1/p_1}\,\mathbf 1_{\intoo01}(x) + x^{-1/p_0}\,\mathbf 1_{\intco1\infty}(x):

el primer término está en LpL^p si y solo si p<p1p < p_1, y el segundo si y solo si p>p0p > p_0.

Ejercicio 12.10 ★★

(Jensen) Sean μ\mu una medida de probabilidad, f∈L1(μ)f \in L^1(\mu) real y Φ ⁣:R→R\Phi \colon \R \to \R convexa. Demostrar

Φ(∫f  ⁣dμ)≤∫Φ∘f  ⁣dμ\Phi\Bigl(\int f\,\dd\mu\Bigr) \leq \int \Phi\circ f\,\dd\mu

(recta de apoyo de Φ\Phi en el punto m=∫fm = \int f). Dedúzcanse la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica y la monotonía de p↦∥f∥pp \mapsto \norm f_p del Ejercicio 12.1(b).

Solución

Solución de Ejercicio 12.10.

Sea m=∫f  ⁣dμ∈Rm = \int f\,\dd\mu \in \R. La convexidad proporciona una recta de apoyo en mm: existe ss con Φ(t)≥Φ(m)+s(t−m)\Phi(t) \geq \Phi(m) + s(t - m) para todo tt (tómese ss entre las derivadas laterales, que existen para las funciones convexas). Sustitúyase t=f(x)t = f(x) e intégrese contra la probabilidad μ\mu:

∫Φ∘f  ⁣dμ≥Φ(m)+s(∫f−m)=Φ(∫f  ⁣dμ)\int\Phi\circ f\,\dd\mu \geq \Phi(m) + s\Bigl(\int f - m\Bigr) = \Phi\Bigl(\int f\,\dd\mu\Bigr)

(medibilidad: Φ\Phi es continua; y la integrabilidad de la parte negativa de Φ∘f\Phi\circ f la garantiza la recta de apoyo). Medias aritmética y geométrica: sobre un conjunto finito con pesos wiw_i, tómense Φ=exp⁡\Phi = \exp y f=∑(ln⁡ai)1if = \sum(\ln a_i)\mathbf 1_i: exp⁡(∑wiln⁡ai)≤∑wiai\exp\bigl(\sum w_i\ln a_i\bigr) \leq \sum w_ia_i, i.e. ∏aiwi≤∑wiai\prod a_i^{w_i} \leq \sum w_ia_i. La monotonía de las normas es Ejercicio 12.1(b).

Ejercicio 12.11 ★★★

(Desigualdad de Young para la convolución) Sean 1≤p,q,r≤∞1 \leq p, q, r \leq \infty con 1p+1q=1+1r\frac1p + \frac1q = 1 + \frac1r, y f∈Lp(Rd)f \in L^p(\R^d), g∈Lq(Rd)g \in L^q(\R^d). (a) Demostrar ∥f∗g∥r≤∥f∥p ∥g∥q\norm{f * g}_r \leq \norm f_p\,\norm g_q. (Escríbase, con los exponentes conjugados deducidos de p,q,rp, q, r, ∣f(y)g(x−y)∣=(∣f∣p∣g∣q)1/r⋅∣f∣ p(1/p−1/r)⋅∣g∣ q(1/q−1/r),\abs{f(y)g(x-y)} = \bigl(\abs f^p\abs g^q\bigr)^{1/r} \cdot\abs f^{\,p(1/p - 1/r)}\cdot\abs g^{\,q(1/q - 1/r)}, y aplíquese la desigualdad de Hölder con tres factores y exponentes rr, prr−p\frac{pr}{r - p}, qrr−q\frac{qr}{r - q}; intégrese después en xx por Tonelli.) (b) Compruébense los tres casos especiales ya conocidos: r=∞r = \infty (Hölder, el Ejercicio 12.6); q=1q = 1 (estabilidad LpL^p de la convolución por un núcleo integrable); p=q=1p = q = 1 (L1L^1 es un álgebra para la convolución, Teorema 11.9). (c) ¿Por qué no hay ninguna desigualdad con 1p+1q<1+1r\frac1p + \frac1q < 1 + \frac1r? (Evalúese en las dilataciones fλ(x)=f(λx)f_\lambda(x) = f(\lambda x) y compárense los cambios de escala de ambos miembros.)

Solución

Solución de Ejercicio 12.11.

(a) Supóngase primero p,q,r<∞p, q, r < \infty y f,g≥0f, g \geq 0 (sustitúyanse por sus valores absolutos). Los tres exponentes rr, α=prr−p\alpha = \frac{pr}{r-p}, β=qrr−q\beta = \frac{qr}{r-q} cumplen 1r+1α+1β=1r+1p−1r+1q−1r=1\frac1r + \frac1\alpha + \frac1\beta = \frac1r + \frac1p - \frac1r + \frac1q - \frac1r = 1 (la relación de escala). Descompóngase, para xx fijo,

f(y)g(x−y)=[f(y)pg(x−y)q]1/r⋅f(y)1−p/r⋅g(x−y)1−q/r,f(y)g(x-y) = \bigl[f(y)^pg(x-y)^q\bigr]^{1/r}\cdot f(y)^{1 - p/r}\cdot g(x-y)^{1 - q/r},

y Hölder con los tres exponentes da

(f∗g)(x)≤(∫fpg(x−⋅)q)1/r∥f∥p p/α⋅α/p⋯(f*g)(x) \leq \Bigl(\int f^pg(x-\cdot)^q\Bigr)^{1/r} \norm f_p^{\,p/\alpha\cdot\alpha/p}\cdots

con más precisión: el segundo factor es (∫f(1−p/r)α)1/α=∥f∥pp(1/p−1/r)\bigl(\int f^{(1-p/r)\alpha}\bigr)^{1/\alpha} = \norm f_p^{p(1/p - 1/r)} porque (1−pr)α=p(1 - \frac pr)\alpha = p, y análogamente el tercero es ∥g∥qq(1/q−1/r)\norm g_q^{q(1/q - 1/r)}. Elévese a la potencia rr e intégrese en xx (Tonelli sobre el primer factor):

∥f∗g∥rr≤∥f∥pp ∥g∥qq⋅∥f∥p rp(1/p−1/r) ∥g∥q rq(1/q−1/r)=∥f∥pr ∥g∥qr.\norm{f*g}_r^r \leq \norm f_p^p\,\norm g_q^q\cdot \norm f_p^{\,rp(1/p - 1/r)}\,\norm g_q^{\,rq(1/q - 1/r)} = \norm f_p^r\,\norm g_q^r .

Los casos límite (r=∞r = \infty, o algún exponente igual a su cota) son Hölder simple o estimaciones directas.

(b) r=∞r = \infty obliga a q=p′q = p': ∣f∗g(x)∣≤∥f∥p∥g∥p′\abs{f*g(x)} \leq \norm f_p\norm g_{p'} — Hölder tras trasladar y reflejar. q=1q = 1 da r=pr = p: ∥f∗g∥p≤∥g∥1∥f∥p\norm{f*g}_p \leq \norm g_1\norm f_p, el caballo de batalla de la regularización (el motor del Teorema 12.9). p=q=1p = q = 1 da r=1r = 1: el álgebra de convolución (Teorema 11.9).

(c) Sustitúyanse f,gf, g por fλ=f(λ⋅)f_\lambda = f(\lambda\cdot), gλ=g(λ⋅)g_\lambda = g(\lambda\cdot): entonces fλ∗gλ=λ−d(f∗g)(λ⋅)f_\lambda*g_\lambda = \lambda^{-d}(f*g)(\lambda\cdot) y, comparando normas,

MI∼λ−d−d/r,MD∼λ−d/p−d/q:\text{MI} \sim \lambda^{-d - d/r}, \qquad \text{MD} \sim \lambda^{-d/p - d/q} :

una desigualdad válida para todo f,gf, g obliga a que los dos exponentes de escala coincidan, es decir, a 1+1r=1p+1q1 + \frac1r = \frac1p + \frac1q exactamente. Cualquier otra combinación muere en λ→0\lambda \to 0 o en ∞\infty: la relación de Young no es una comodidad, sino una ley de escala.

Ejercicio 12.12 ★★

(Casos de igualdad) (a) En la desigualdad de Hölder ∫∣fg∣≤∥f∥p∥g∥q\int\abs{fg} \leq \norm f_p\norm g_q (1<p<∞1 < p < \infty), demuéstrese que hay igualdad si y solo si ∣f∣p\abs f^p y ∣g∣q\abs g^q son proporcionales en casi todo punto. (Sígase el caso de igualdad de la desigualdad de Young ab≤app+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q, que es ap=bqa^p = b^q.) (b) En la desigualdad de Minkowski ∥f+g∥p≤∥f∥p+∥g∥p\norm{f + g}_p \leq \norm f_p + \norm g_p (1<p<∞1 < p < \infty), demuéstrese que la igualdad con f,g≠0f, g \neq 0 obliga a g=cfg = cf en casi todo punto con c>0c > 0. (c) Contrástese con p=1p = 1 y p=∞p = \infty: descríbanse los casos de igualdad (mucho más amplios) allí, con ejemplos.

Solución

Solución de Ejercicio 12.12.

(a) Normalícese ∥f∥p=∥g∥q=1\norm f_p = \norm g_q = 1. La demostración de Hölder integra la desigualdad de Young ∣fg∣≤∣f∣pp+∣g∣qq\abs{fg} \leq \frac{\abs f^p}p + \frac{\abs g^q}q; la igualdad de las integrales obliga a la igualdad en casi todo punto en Young, lo cual (convexidad estricta de exp⁡\exp; igualdad si y solo si ap=bqa^p = b^q) significa ∣f∣p=∣g∣q\abs f^p = \abs g^q en casi todo punto. Deshaciendo la normalización: ∣f∣p∥g∥qq=∣g∣q∥f∥pp\abs f^p\norm g_q^q = \abs g^q\norm f_p^p a.e. — proporcionalidad.

(b) Minkowski son dos Hölder aplicados a ∣f+g∣p−1∣f∣\abs{f + g}^{p-1} \abs f y ∣f+g∣p−1∣g∣\abs{f+g}^{p-1}\abs g; la igualdad obliga a la proporcionalidad de (a) en ambos: ∣f∣p\abs f^p y ∣g∣p\abs g^p son cada una proporcional a ∣f+g∣(p−1)q=∣f+g∣p\abs{f+g}^{(p-1)q} = \abs{f+g}^p, de modo que ∣g∣=t∣f∣\abs g = t\abs f en casi todo punto para cierta constante t≥0t \geq 0; y la desigualdad triangular puntual inicial ∣f+g∣≤∣f∣+∣g∣\abs{f + g} \leq \abs f + \abs g ha de ser también una igualdad en casi todo punto, lo que para valores complejos significa que ff y gg tienen en casi todo punto el mismo argumento allí donde ambas son no nulas. Combinando: g=tfg = tf en casi todo punto, con t>0t > 0 (ambas no nulas).

(c) p=1p = 1: hay igualdad en ∫∣f+g∣=∫∣f∣+∫∣g∣\int\abs{f + g} = \int\abs f + \int\abs g siempre que f,gf, g tengan el mismo patrón de signos (el mismo argumento en casi todo punto) — sin necesidad de proporcionalidad: f=1[0, 1]f = \mathbf 1_{\intcc01} y g=1[0, 2]g = \mathbf 1_{\intcc02} sirven. p=∞p = \infty: ∥f+g∥∞=∥f∥∞+∥g∥∞\norm{f+g}_\infty = \norm f_\infty + \norm g_\infty en cuanto las dos funciones alcancen picos compatibles en un punto común (o a lo largo de una sucesión común): basta f=g f = g\, cerca de un punto, con independencia del comportamiento en el resto. La convexidad estricta de las bolas LpL^p para 1<p<∞1 < p < \infty — y su fallo en los extremos — es exactamente lo que atestiguan estos casos de igualdad.

12.7 Problema: la desigualdad de Hardy

Problema 12.1

Problema de fin de semana — la desigualdad de Hardy y su constante óptima

Para f∈Lp((0, +∞))f \in L^p(\intoo0{+\infty}), 1<p<∞1 < p < \infty, defínase el operador de Hardy

(Hf)(x)=1x∫0xf(t)  ⁣dt.(Hf)(x) = \frac1x\int_0^x f(t)\,\dd t .

La desigualdad de Hardy (1920) afirma que

∥Hf∥p  ≤  pp−1 ∥f∥p,\norm{Hf}_p \;\leq\; \frac{p}{p-1}\,\norm f_p ,

y que la constante pp−1\frac p{p-1} es óptima y no se alcanza. Este problema lo demuestra todo y extiende después el resultado a series.

Parte I — La desigualdad. Supóngase primero f≥0f \geq 0 continua de soporte compacto en (0, +∞)\intoo0{+\infty}, y sea F(x)=∫0xfF(x) = \int_0^xf.

  1. Demostrar que Hf∈LpHf \in L^p: cerca de 00, FF se anula en un entorno de 00; cerca de ∞\infty, FF está acotada, luego (Hf)(x)=O(1/x)(Hf)(x) = O(1/x), y x↦1xx \mapsto \frac1x pertenece a Lp((1, +∞))L^p(\intoo1{+\infty}) para p>1p > 1.
  2. Intégrese por partes para demostrar

    ∫0∞(Fx)p ⁣dx=pp−1∫0∞(Fx)p−1f(x)  ⁣dx.\int_0^\infty \Bigl(\frac Fx\Bigr)^p\dd x = \frac{p}{p-1}\int_0^\infty\Bigl(\frac Fx\Bigr)^{p-1}f(x)\,\dd x .

    (Derívese x1−pFpx^{1-p}F^p; los términos de frontera se anulan — justifíquense ambos extremos.)

  3. Aplíquese Hölder al miembro derecho y dedúzcase ∥Hf∥p≤pp−1∥f∥p\norm{Hf}_p \leq \frac p{p-1}\norm f_p para tales ff.
  4. Extiéndase a todo LpL^p: para f≥0f \geq 0, constrúyanse fnf_n continuas de soporte compacto en (0, +∞)\intoo0{+\infty}, 0≤fn↗f0 \leq f_n \nearrow f a.e. (trúnquese y aproxímese después monótonamente — justifíquese la construcción); entonces Hfn↗HfHf_n \nearrow Hf puntualmente (convergencia monótona dentro del promedio) y la convergencia monótona pasa la desigualdad al límite. Para ff con signo o compleja, concluir con ∣Hf∣≤H∣f∣\abs{Hf} \leq H\abs f.

Parte II — Optimalidad.

  1. Para A>1A > 1, sea fA(t)=t−1/p 1[1, A](t)f_A(t) = t^{-1/p}\,\mathbf 1_{\intcc1A}(t). Calcúlese ∥fA∥pp=ln⁡A\norm{f_A}_p^p = \ln A y, para 1≤x≤A1 \leq x \leq A,

    (HfA)(x)=pp−1  x−1/p (1−x−(1−1/p)).(Hf_A)(x) = \frac p{p-1}\;x^{-1/p}\, \bigl(1 - x^{-(1 - 1/p)}\bigr).
  2. Deducir lim inf⁡A→∞∥HfA∥p/∥fA∥p≥pp−1\liminf_{A\to\infty} \norm{Hf_A}_p/ \norm{f_A}_p \geq \frac{p}{p-1} y concluir que la constante es óptima.
  3. Demostrar que la igualdad ∥Hf∥p=pp−1∥f∥p\norm{Hf}_p = \frac p{p-1}\norm f_p con f≠0f \neq 0 es imposible. (Sígase el caso de igualdad de Hölder en la pregunta 3: forzaría un comportamiento de tipo f=cx−1/pf = cx^{-1/p}, que no está en LpL^p.)

Parte III — La desigualdad discreta.

  1. Para g≥0g \geq 0 no creciente sobre (0,∞)(0,\infty) y an=g(n)a_n = g(n), compárense ∑anp\sum a_n^p y ∫gp\int g^p, y los promedios HH en consecuencia, para deducir de la Parte I la desigualdad discreta de Hardy: para an≥0a_n \geq 0,

    ∑n≥1(a1+⋯+ann)p  ≤  (pp−1)p ∑n≥1anp\sum_{n\geq1}\Bigl(\frac{a_1 + \dots + a_n}{n}\Bigr)^{p} \;\leq\; \Bigl(\frac{p}{p-1}\Bigr)^{p}\,\sum_{n\geq1}a_n^p

    — demuéstrese primero para (an)(a_n) no creciente mediante la comparación anterior, y redúzcase después el caso general al no creciente por reordenación (admítase, con una justificación de una línea, que ordenar (an)(a_n) de forma decreciente solo puede aumentar el miembro izquierdo dejando fijo el derecho).

  2. Deducir: si ∑anp<∞\sum a_n^p < \infty, entonces las medias de Cesàro de (an)(a_n) están de nuevo en ℓp\ell^p — y dese un ejemplo (p=2p = 2) en el que (an)∈ℓ2(a_n) \in \ell^2 pero ana_n no sea sumable, y Hardy siga controlando las medias.

Parte IV — Epílogo.

  1. Demostrar que la desigualdad de Hardy falla para p=1p = 1: con f=1[0, 1]f = \mathbf 1_{\intcc01}, calcúlese HfHf y obsérvese que Hf∉L1Hf \notin L^1. ¿Dónde se rompe la demostración?

Parte V — La función maximal y el teorema de derivación de Lebesgue. Hardy promedia desde el origen; Hardy–Littlewood promedian alrededor de cada punto. Para f∈L1(R)f \in L^1(\R), defínase

Mf(x)=sup⁡r>0 12r∫x−rx+r∣f∣  ⁣dλ.Mf(x) = \sup_{r>0}\ \frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}\abs f\,\dd\lambda .
  1. (Vitali, versión finita) Sean B1,…,BNB_1, \dots, B_N intervalos abiertos. Demostrar que existe una subfamilia disjunta Bi1,…,BikB_{i_1}, \dots, B_{i_k} con ⋃jBj⊆⋃l3Bil\bigcup_jB_j \subseteq \bigcup_l3B_{i_l}, donde 3B3B denota el intervalo del mismo centro y longitud triple (voraz: tómese repetidamente el intervalo más largo disjunto de los ya tomados).
  2. (Tipo débil (1,1)(1,1)) Demostrar que, para todo t>0t > 0,

    λ({Mf>t})  ≤  3t ∥f∥1:\lambda\bigl(\{Mf > t\}\bigr) \;\leq\; \frac3t\,\norm f_1 :

    cada xx con Mf(x)>tMf(x) > t posee un intervalo centrado BxB_x con ∫Bx∣f∣>t λ(Bx)\int_{B_x}\abs f > t\,\lambda(B_x); tómese un compacto K⊆{Mf>t}K \subseteq \{Mf > t\} (regularidad interior), recúbrase por un número finito de BxB_x, aplíquese la pregunta 11 y agótese.

  3. Calcúlese M1[0, 1](x)M\mathbf 1_{\intcc01}(x) para x>1x > 1 y dedúzcase que Mf∉L1Mf \notin L^1 para todo f≠0f \neq 0 (Mf(x)≥c∣x∣Mf(x) \geq \frac c{\abs x} en el infinito): en p=1p = 1, la desigualdad débil de la pregunta 12 es el mejor enunciado posible.
  4. (Tipo fuerte para p>1p > 1) Para f∈Lpf \in L^p: descompóngase f=f 1∣f∣>t/2+f 1∣f∣≤t/2f = f\,\mathbf 1_{\abs f > t/2} + f\,\mathbf 1_{\abs f \leq t/2}, obsérvese que Mf≤M(f1∣f∣>t/2)+t2Mf \leq M\bigl(f\mathbf 1_{\abs f > t/2}\bigr) + \frac t2, y combínese la pregunta 12 con la fórmula de las capas (la Proposición 11.8) y Tonelli para demostrar

    ∥Mf∥pp  ≤  6p 2p−1p−1 ∥f∥pp.\norm{Mf}_p^p \;\leq\; \frac{6p\,2^{p-1}}{p-1}\,\norm f_p^p .

    (La explosión cuando p↓1p \downarrow 1 es el fallo de la pregunta 13, cuantificado.)

  5. (Teorema de derivación de Lebesgue) Demostrar que, para f∈L1(R)f \in L^1(\R),

    12r∫x−rx+rf  ⁣dλ  ⟶  f(x)(r→0)para casi todo x.\frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}f\,\dd\lambda \;\longrightarrow\; f(x) \qquad (r \to 0)\quad\text{para casi todo }x .

    (Claro para ff continua. En general, escríbase f=g+hf = g + h con gg continua de soporte compacto, ∥h∥1<ε\norm h_1 < \varepsilon (el Teorema 12.6); el conjunto donde lim sup⁡r→0\limsup_{r\to0} de la oscilación promediada supera δ\delta está dentro de {Mh>δ/2}∪{∣h∣>δ/2}\{Mh > \delta/2\} \cup \{\abs h > \delta/2\}, de medida O(ε/δ)O(\varepsilon/\delta); hágase ε→0\varepsilon \to 0 y después δ→0\delta \to 0 a lo largo de una sucesión.)

  6. Dedúzcase: (a) casi todo punto es un punto de Lebesgue de ff; (b) para f∈L1f \in L^1, la primitiva F(x)=∫0xfF(x) = \int_0^xf es derivable en casi todo punto con F′=fF' = f en casi todo punto — la mitad integral del teorema fundamental del cálculo en el mundo de Lebesgue, que cierra el círculo abierto por la escalera (el Problema 9.1), la cual mostraba que la otra mitad puede fallar.
  7. (Puntos de densidad) Para A⊆RA \subseteq \R medible, demuéstrese que casi todo x∈Ax \in A cumple λ(A∩[x−r, x+r])2r→1\frac{\lambda(A\cap\intcc{x-r}{x+r})}{2r} \to 1: los conjuntos medibles son localmente llenos en casi todos sus puntos. Esbócese en dos líneas cómo esto da una demostración más del teorema de Steinhaus (Ejercicio 9.8).

Parte VI — Variaciones sobre el tema del promedio.

  1. (Hardy con peso) Para α<p−1\alpha < p - 1 y f≥0f \geq 0, demostrar

    ∫0∞(F(x)x)pxα  ⁣dx  ≤  (pp−1−α)p∫0∞f(x)p xα  ⁣dx\int_0^\infty\Bigl(\frac{F(x)}x\Bigr)^{p} x^{\alpha}\,\dd x \;\leq\; \Bigl(\frac{p}{p - 1 - \alpha}\Bigr)^{p} \int_0^\infty f(x)^p\,x^{\alpha}\,\dd x

    mediante la misma integración por partes, y compruébese que el caso límite α=p−1\alpha = p - 1 está genuinamente prohibido (adáptese el contraejemplo de la pregunta 10).

  2. (El adjunto) Sea H∗f(x)=∫x∞f(t)t  ⁣dtH^*f(x) = \int_x^{\infty}\frac{f(t)}t\,\dd t. Demostrar ⟨Hf,g⟩=⟨f,H∗g⟩\langle Hf, g\rangle = \langle f, H^*g\rangle para f,gf, g no negativas (Tonelli) y demostrar ∥H∗f∥p≤p ∥f∥p\norm{H^*f}_p \leq p\,\norm f_p (directamente por partes, o a partir de Hardy en el exponente conjugado por dualidad — atención a qué exponente se lleva qué constante).
  3. (Una desigualdad de tipo Hilbert) Dedúzcase que, para f∈Lpf \in L^p no negativas, g∈Lqg \in L^q:

    ∫0∞ ⁣ ⁣∫0∞f(x) g(y)max⁡(x,y)  ⁣dx  ⁣dy  ≤  (p+q) ∥f∥p ∥g∥q\int_0^\infty\!\!\int_0^\infty \frac{f(x)\,g(y)}{\max(x,y)}\,\dd x\,\dd y \;\leq\; (p + q)\,\norm f_p\,\norm g_q

    (sepárese según y<xy < x / y≥xy \geq x: cada mitad es un emparejamiento de una función contra la transformada de Hardy de la otra).

  4. (Optimalidad, caso discreto) Demostrar que la constante (pp−1)p\bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p de la pregunta 8 también es óptima: evalúese en an=n−1/p 1n≤Na_n = n^{-1/p}\,\mathbf 1_{n \leq N}, compárense ambos miembros con integrales y hágase N→∞N \to \infty (el espejo discreto de la Parte II).
  5. (Síntesis) En este problema han aparecido tres operadores de promedio: el HH de Hardy, la media discreta de Cesàro y el operador maximal MM. Enúnciese en una línea qué dice la acotación de cada uno, obsérvese que los tres fallan exactamente en p=1p = 1 y explíquese por qué se trata del mismo fallo tres veces (la cola armónica 1x\frac1x).

Parte VII — La desigualdad de Carleman, y cuán óptimo es lo óptimo.

  1. (Desigualdad de Carleman) Sea an≥0a_n \geq 0 con ∑an<∞\sum a_n < \infty. Aplíquese la desigualdad discreta de Hardy de la pregunta 8 a bn=an1/pb_n = a_n^{1/p}, úsese la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica y hágase p→∞p \to \infty (demuéstrese que p↦(pp−1)pp \mapsto \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p decrece hacia e\eu) para obtener

    ∑n≥1(a1a2⋯an)1/n  ≤  e ∑n≥1an:\sum_{n\geq1}\bigl(a_1a_2\cdots a_n\bigr)^{1/n} \;\leq\; \eu\,\sum_{n\geq1}a_n :

    las medias geométricas de una sucesión sumable son sumables, a un coste de a lo sumo e\eu.

  2. (La constante e\eu es óptima) Evalúese en an=1n 1n≤Na_n = \frac1n\,\mathbf 1_{n\leq N}: usando el encaje de Stirling del Problema 11.1, demuéstrese (n!)−1/n=en(1+O(ln⁡nn))(n!)^{-1/n} = \frac\eu n\bigl(1 + O\bigl(\frac{\ln n}n\bigr)\bigr), dedúzcase que ambos miembros de Carleman crecen como eln⁡N\eu\ln N y concluir que ninguna constante menor que e\eu puede servir. (Obsérvese el patrón: los optimizadores de Hardy y de Carleman son ambos las sucesiones de tipo armónico que están justo fuera del espacio.)
  3. (¿Con qué lentitud se aproxima lo «óptimo»?) Tómese p=2p = 2. Para f=1[0, 1]f = \mathbf 1_{\intcc01}, calcúlese ∥Hf∥2/∥f∥2=2\norm{Hf}_2/\norm f_2 = \sqrt2, frente a la cota 22. Para los casi optimizadores fAf_A de la pregunta 5, demuéstrese la identidad exacta

    ∥HfA∥22=4ln⁡A−8+8A,luego∥HfA∥22∥fA∥22=4−8−8A−1/2ln⁡A.\norm{Hf_A}_2^2 = 4\ln A - 8 + \frac{8}{\sqrt A}, \qquad\text{luego}\qquad \frac{\norm{Hf_A}_2^2}{\norm{f_A}_2^2} = 4 - \frac{8 - 8A^{-1/2}}{\ln A} .

    Evalúese en A=e10A = \eu^{10} (cociente ≈1.790\approx 1.790) y coméntese: el supremo 22 se aproxima solo a velocidad 1/ln⁡A1/\ln A — una constante óptima puede ser prácticamente invisible desde el punto de vista numérico.

Solución

Solución de Problema 12.1.

1. ff tiene soporte en cierto [α,β]⊆(0, ∞)[\alpha, \beta] \subseteq \intoo0\infty, de modo que F=0F = 0 sobre [0,α][0, \alpha] y F≡F(β)F \equiv F(\beta) sobre [β,∞)[\beta, \infty): HfHf se anula cerca de 00 y es O(1/x)O(1/x) en el infinito; ∫1∞x−p ⁣dx<∞\int_1^\infty x^{-p}\dd x < \infty para p>1p > 1, y HfHf es continua: Hf∈LpHf \in L^p.

2. (x1−pF(x)p)′=(1−p)x−pFp+p x1−pFp−1f\bigl(x^{1-p}F(x)^p\bigr)' = (1-p)x^{-p}F^p + p\,x^{1-p}F^{p-1}f. Ambos valores de frontera se anulan: en 00 porque F=0F = 0 cerca de 00; y en ∞\infty porque x1−pFp≤F(β)px1−p→0x^{1-p}F^p \leq F(\beta)^p x^{1-p} \to 0 (p>1p > 1). Integrando la identidad sobre (0, ∞)\intoo0\infty:

0=(1−p)∫0∞(Fx)p ⁣dx+p∫0∞(Fx)p−1f(x)  ⁣dx,0 = (1 - p)\int_0^\infty\Bigl(\frac Fx\Bigr)^p\dd x + p\int_0^\infty\Bigl(\frac Fx\Bigr)^{p-1}f(x)\,\dd x,

que es la relación indicada.

3. Hölder con los exponentes q=pp−1q = \frac p{p-1} y pp:

∫(Fx)p−1f≤(∫(Fx)p)1−1/p ∥f∥p,\int\Bigl(\frac Fx\Bigr)^{p-1}f \leq \Bigl(\int\Bigl(\frac Fx\Bigr)^{p}\Bigr)^{1 - 1/p}\,\norm f_p ,

luego ∥Hf∥pp≤pp−1∥Hf∥pp−1∥f∥p\norm{Hf}_p^p \leq \frac p{p-1}\norm{Hf}_p^{p-1}\norm f_p; divídase (es finito por la pregunta 1, y si 00 no hay nada que demostrar).

4. Sean f∈Lpf \in L^p, f≥0f \geq 0. Elíjanse φk∈Cc((0, ∞))\varphi_k \in \mathcal C_c(\intoo0\infty) con φk→f\varphi_k \to f en LpL^p (el Teorema 12.6(2), intersecado con la semirrecta abierta — aproxímese f1[1/k,k]f\mathbf 1_{[1/k, k]} y diagonalícese) y sustitúyase φk\varphi_k por ∣φk∣\abs{\varphi_k} (que sigue siendo continua y está más cerca de f≥0f \geq 0). Para todo x>0x > 0 fijo, Hölder sobre (0, x)\intoo0x da

∣Hφk(x)−Hf(x)∣≤1x x1−1/p ∥φk−f∥p→0:\abs{H\varphi_k(x) - Hf(x)} \leq \frac1x\,x^{1 - 1/p}\,\norm{\varphi_k - f}_p \to 0 :

Hφk→HfH\varphi_k \to Hf puntualmente. Fatou y la pregunta 3:

∫(Hf)p≤lim inf⁡k∫(Hφk)p≤(pp−1)plim inf⁡k∥φk∥pp=(pp−1)p∥f∥pp.\int (Hf)^p \leq \liminf_k\int(H\varphi_k)^p \leq \Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^p\liminf_k\norm{\varphi_k}_p^p = \Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^p\norm f_p^p .

Para ff con signo o compleja: ∣Hf∣≤H∣f∣\abs{Hf} \leq H\abs f puntualmente, y el caso no negativo se aplica a ∣f∣\abs f.

5. ∥fA∥pp=∫1At−1 ⁣dt=ln⁡A\norm{f_A}_p^p = \int_1^A t^{-1}\dd t = \ln A. Para 1≤x≤A1 \leq x \leq A:

(HfA)(x)=1x∫1xt−1/p ⁣dt=x1−1/p−1(1−1p) x=pp−1 x−1/p(1−x−(1−1/p)).(Hf_A)(x) = \frac1x\int_1^x t^{-1/p}\dd t = \frac{x^{1 - 1/p} - 1}{(1 - \tfrac1p)\,x} = \frac p{p-1}\,x^{-1/p}\bigl(1 - x^{-(1 - 1/p)}\bigr).

6. Fíjense ε>0\varepsilon > 0 y X0X_0 con (1−x−(1−1/p))p≥1−ε(1 - x^{-(1-1/p)})^p \geq 1 - \varepsilon para x≥X0x \geq X_0. Entonces

∥HfA∥pp≥∫X0A(pp−1)p1−εx  ⁣dx=(pp−1)p(1−ε) (ln⁡A−ln⁡X0),\norm{Hf_A}_p^p \geq \int_{X_0}^A\Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^p\frac{1 - \varepsilon}{x}\,\dd x = \Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^p(1 - \varepsilon)\,(\ln A - \ln X_0),

luego ∥HfA∥pp∥fA∥pp≥(pp−1)p(1−ε)(1−ln⁡X0ln⁡A)→(pp−1)p(1−ε)\dfrac{\norm{Hf_A}_p^p}{\norm{f_A}_p^p} \geq \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p(1 - \varepsilon)\bigl(1 - \frac{\ln X_0}{\ln A}\bigr) \to \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p(1 - \varepsilon) cuando A→∞A \to \infty: la constante no puede mejorarse.

7. La igualdad en la pregunta 3 obliga a la igualdad en Hölder: fpf^p proporcional a (Fx)(p−1)q=(Fx)p\bigl(\frac Fx\bigr)^{(p-1)q} = \bigl(\frac Fx\bigr)^p en casi todo punto, es decir, f=γ Fxf = \gamma\,\frac Fx en casi todo punto para cierto γ≥0\gamma \geq 0. Como F(x)=∫0xfF(x) = \int_0^xf es absolutamente continua con F′=fF' = f en casi todo punto, FF resuelve F′=γF/xF' = \gamma F/x: en todo intervalo donde F>0F > 0, (ln⁡F)′=γ/x(\ln F)' = \gamma/x, luego F=c xγF = c\,x^{\gamma} y f=cγxγ−1f = c\gamma x^{\gamma - 1} allí. Pero ninguna potencia no nula xγ−1x^{\gamma-1} pertenece a Lp((0, ∞))L^p(\intoo0\infty) (haría falta p(γ−1)<−1p(\gamma - 1) < -1 en ∞\infty y >−1> -1 en 00: incompatible), y FF no puede anularse idénticamente salvo que f=0f = 0. Así que la igualdad exige f=0f = 0.

8. Dada (an)(a_n) no creciente ≥0\geq 0, defínase la función escalonada g(t)=a⌈t⌉g(t) = a_{\lceil t\rceil} sobre (0, +∞)\intoo0{+\infty}: es no creciente, con ∫0∞gp=∑nanp\int_0^\infty g^p = \sum_na_n^p y ∫0ng=a1+⋯+an\int_0^ng = a_1 + \dots + a_n, luego (Hg)(n)=a1+⋯+ann(Hg)(n) = \frac{a_1 + \dots + a_n}n. El promedio de una función no creciente es no creciente, de modo que HgHg lo es, y

∑n≥1(a1+…+ann)p=∑n≥1(Hg)(n)p≤∑n≥1∫n−1n(Hg)(t)p  ⁣dt=∥Hg∥pp≤(pp−1)p∑nanp\sum_{n\geq1}\Bigl(\frac{a_1{+}\dots{+}a_n}n\Bigr)^p = \sum_{n\geq1}(Hg)(n)^p \leq \sum_{n\geq1}\int_{n-1}^n (Hg)(t)^p\,\dd t = \norm{Hg}_p^p \leq \Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^p\sum_n a_n^p

por la Parte I. Para una sucesión no negativa general, sea (an∗)(a_n^*) su reordenación no creciente (posible cuando an→0a_n \to 0, que podemos suponer — si no, ambos miembros son infinitos): el miembro derecho no cambia, y cada suma parcial a1+⋯+ana_1 + \dots + a_n es a lo sumo a1∗+⋯+an∗a_1^* + \dots + a_n^* (los nn términos mayores): el miembro izquierdo solo crece. De ahí la desigualdad para todo (an)(a_n).

9. Si (an)∈ℓp(a_n) \in \ell^p, la sucesión de medias de Cesàro está en ℓp\ell^p con norma ≤pp−1∥a∥p\leq \frac p{p-1}\norm a_p. Ejemplo (p=2p = 2): an=1n ln⁡na_n = \frac1{\sqrt n\,\ln n} (n≥2n \geq 2): ∑an2=∑1nln⁡2n<∞\sum a_n^2 = \sum\frac1{n\ln^2n} < \infty, y sin embargo ∑an=∞\sum a_n = \infty (criterio integral); Hardy sigue garantizando ∑n(a1+⋯+ann)2<∞\sum_n\bigl(\frac{a_1 + \dots + a_n}n\bigr)^2 < \infty.

10. Para f=1[0, 1]f = \mathbf 1_{\intcc01}: Hf(x)=1Hf(x) = 1 en (0, 1]\intoc01 y =1x= \frac1x para x≥1x \geq 1: ∫0∞Hf=1+∫1∞ ⁣dxx=∞\int_0^\infty Hf = 1 + \int_1^\infty\frac{\dd x}x = \infty, mientras que ∥f∥1=1\norm f_1 = 1. La demostración se hunde por dos sitios: la constante pp−1\frac p{p-1} explota cuando p→1p \to 1, y el término de frontera x1−pFpx^{1-p}F^p ya no se anula en el infinito para p=1p = 1. La desigualdad de Hardy es un fenómeno honestamente p>1p > 1.

11. Tómese el intervalo más largo Bi1B_{i_1}; descártese todo intervalo que lo corte; tómese el superviviente más largo Bi2B_{i_2}; itérese (hay finitos intervalos). Los elegidos son disjuntos por construcción, y todo BB descartado cortaba a un intervalo elegido al menos igual de largo: un intervalo que corta a otro de longitud mayor o igual está contenido en su triple, B⊆3BilB \subseteq 3B_{i_l}.

12. {Mf>t}\{Mf > t\} es abierto: cada promedio x↦12r∫x−rx+r∣f∣x \mapsto \frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}\abs f es continuo (convergencia dominada en xx) y un supremo de funciones continuas es semicontinuo inferiormente. Cada xx suyo posee Bx=(x−rx, x+rx)B_x = \intoo{x-r_x}{x+r_x} con ∫Bx∣f∣>t λ(Bx)\int_{B_x}\abs f > t\,\lambda(B_x). Para K⊆{Mf>t}K \subseteq \{Mf > t\} compacto: un número finito de BxB_x recubre KK, Vitali (pregunta 11) extrae B1′,…,Bk′B_1', \dots, B_k' disjuntos con K⊆⋃l3Bl′K \subseteq \bigcup_l3B_l', luego

λ(K)≤3∑lλ(Bl′)<3t∑l∫Bl′∣f∣≤3t ∥f∥1\lambda(K) \leq 3\sum_l\lambda(B_l') < \frac3t\sum_l\int_{B_l'}\abs f \leq \frac3t\,\norm f_1

por disjunción; la regularidad interior (el Teorema 9.13) concluye.

13. Para x>1x > 1: con r∈[x−1, x]r \in \intcc{x-1}x el promedio es r−x+12r\frac{r - x + 1}{2r}, creciente en rr; para r≥xr \geq x es 12r\frac1{2r}, decreciente: el supremo es 12x\frac1{2x}, alcanzado en r=xr = x. Luego M1[0, 1]∉L1M\mathbf 1_{\intcc01} \notin L^1. En general, si ∫I∣f∣=c>0\int_I\abs f = c > 0 sobre un intervalo acotado I⊆[−C, C]I \subseteq \intcc{-C}C, entonces Mf(x)≥c2(∣x∣+C)Mf(x) \geq \frac{c}{2(\abs x + C)} para todo xx: nunca integrable salvo que f=0f = 0 en casi todo punto.

14. Con ft=f 1∣f∣>t/2f_t = f\,\mathbf 1_{\abs f > t/2}: M(f−ft)≤t2M(f - f_t) \leq \frac t2, luego {Mf>t}⊆{Mft>t2}\{Mf > t\} \subseteq \{Mf_t > \frac t2\} y la pregunta 12 da λ(Mf>t)≤6t∫∣f∣>t/2∣f∣\lambda(Mf > t) \leq \frac6t\int_{\abs f > t/2}\abs f. Fórmula de las capas (la Proposición 11.8) y Tonelli:

∥Mf∥pp=p∫0∞tp−1λ(Mf>t) ⁣dt≤6p∫∣f∣∫02∣f∣tp−2  ⁣dt  ⁣dλ=6p 2p−1p−1 ∥f∥pp.\norm{Mf}_p^p = p\int_0^\infty t^{p-1}\lambda(Mf > t)\dd t \leq 6p\int\abs f\int_0^{2\abs f}t^{p-2}\,\dd t\,\dd\lambda = \frac{6p\,2^{p-1}}{p-1}\,\norm f_p^p .

15. Escríbase Arf(x)=12r∫x−rx+rfA_rf(x) = \frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}f. Para gg continua: Arg(x)→g(x)A_rg(x) \to g(x) en todo punto. Dado ε>0\varepsilon > 0, descompóngase f=g+hf = g + h con gg continua de soporte compacto y ∥h∥1<ε\norm h_1 < \varepsilon (el Teorema 12.6); entonces

lim sup⁡r→0 ∣Arf(x)−f(x)∣≤Mh(x)+∣h(x)∣,\limsup_{r\to0}\,\abs{A_rf(x) - f(x)} \leq Mh(x) + \abs{h(x)},

de modo que Ωδ={lim sup⁡r∣Arf−f∣>δ}⊆{Mh>δ2}∪{∣h∣>δ2}\Omega_\delta = \{\limsup_r\abs{A_rf - f} > \delta\} \subseteq \{Mh > \tfrac\delta2\} \cup \{\abs h > \tfrac\delta2\} tiene medida ≤6εδ+2εδ\leq \frac{6\varepsilon}\delta + \frac{2\varepsilon}\delta (pregunta 12; Markov). ε\varepsilon arbitrario: λ(Ωδ)=0\lambda(\Omega_\delta) = 0; y uniendo sobre δ=1k\delta = \frac1k: Arf→fA_rf \to f en casi todo punto.

16. (a) Para cada q∈Qq \in \Q, la pregunta 15 aplicada a ∣f−q∣\abs{f - q} da Ar∣f−q∣(x)→∣f(x)−q∣A_r\abs{f - q}(x) \to \abs{f(x) - q} en casi todo punto; sobre la intersección de estos conjuntos de medida total, elíjase qq con ∣f(x)−q∣<η\abs{f(x) - q} < \eta: lim sup⁡rAr∣f−f(x)∣(x)≤2η\limsup_rA_r\abs{f - f(x)}(x) \leq 2\eta para todo η\eta: casi todo xx es un punto de Lebesgue. (b) En un punto de Lebesgue,

∣F(x+h)−F(x)h−f(x)∣=∣1h∫xx+h(f−f(x))∣≤2 A∣h∣∣f−f(x)∣(x)→0:\Bigl|\frac{F(x + h) - F(x)}h - f(x)\Bigr| = \Bigl|\frac1h\int_x^{x+h}\bigl(f - f(x)\bigr)\Bigr| \leq 2\,A_{\abs h}\abs{f - f(x)}(x) \to 0 :

F′=fF' = f en casi todo punto — las primitivas de funciones L1L^1 sí se derivan de vuelta; la escalera (el Problema 9.1) es contraejemplo únicamente del sentido recíproco.

17. Aplíquese la pregunta 15 a 1A∩[−n,n]\mathbf 1_{A\cap[-n,n]} y hágase crecer nn: para casi todo x∈Ax \in A, la densidad λ(A∩[x−r, x+r])2r→1\frac{\lambda(A\cap\intcc{x-r}{x+r})}{2r} \to 1. Steinhaus: alrededor de un punto de densidad, tómese rr con densidad >34> \frac34; para ∣t∣<r2\abs t < \frac r2, AA y A+tA + t llenan cada uno más de 32r\frac32r de un intervalo de longitud ≤52r\leq \frac52r y, por tanto, se cortan: (−r/2, r/2)⊆A−A\intoo{-r/2}{r/2} \subseteq A - A.

18. Sea G(x)=xα+1−pF(x)pG(x) = x^{\alpha+1-p}F(x)^p: GG se anula en 00 (FF se anula cerca de 00) y en ∞\infty (FF acotada, α+1−p<0\alpha + 1 - p < 0), de modo que ∫0∞G′=0\int_0^\infty G' = 0 con

G′=(α+1−p) xα−pFp+p xα+1−pFp−1f=(α+1−p)(Fx)pxα+p(Fx)p−1f xα.G' = (\alpha + 1 - p)\,x^{\alpha-p}F^p + p\,x^{\alpha+1-p}F^{p-1}f = (\alpha + 1 - p)\Bigl(\frac Fx\Bigr)^px^\alpha + p\Bigl(\frac Fx\Bigr)^{p-1}f\,x^\alpha .

Por tanto ∫(F/x)pxα=pp−1−α∫(F/x)p−1f xα\int(F/x)^px^\alpha = \frac{p}{p-1-\alpha} \int(F/x)^{p-1}f\,x^\alpha; Hölder para la medida xα ⁣dxx^\alpha\dd x (exponentes pp−1\frac p{p-1} y pp) remata como en la pregunta 3. Caso límite α=p−1\alpha = p - 1: con f(t)=1t1[1, A]f(t) = \frac1t\mathbf 1_{\intcc1A}, el miembro derecho es ln⁡A\ln A mientras que el izquierdo contiene ∫1A(ln⁡x)px ⁣dx=(ln⁡A)p+1p+1\int_1^A\frac{(\ln x)^p}x\dd x = \frac{(\ln A)^{p+1}}{p+1}: ninguna constante sobrevive a A→∞A \to \infty.

19. Tonelli sobre {0<t<x}\{0 < t < x\}:

⟨Hf,g⟩=∫0∞g(x)x∫0xf(t)  ⁣dt  ⁣dx=∫0∞f(t)∫t∞g(x)x  ⁣dx  ⁣dt=⟨f,H∗g⟩.\langle Hf, g\rangle = \int_0^\infty\frac{g(x)}x\int_0^xf(t)\,\dd t\,\dd x = \int_0^\infty f(t)\int_t^\infty\frac{g(x)}x\,\dd x\,\dd t = \langle f, H^*g\rangle .

Dualidad: ∥H∗f∥p=sup⁡{⟨f,Hg⟩:g≥0,∥g∥q≤1}≤∥f∥p⋅sup⁡∥Hg∥q≤qq−1∥f∥p=p ∥f∥p\norm{H^*f}_p = \sup\{\langle f, Hg\rangle : g \geq 0, \norm g_q \leq 1\} \leq \norm f_p\cdot \sup\norm{Hg}_q \leq \frac q{q-1}\norm f_p = p\,\norm f_p, invocándose Hardy en LqL^q, cuya constante qq−1\frac q{q-1} vale pp.

20. Sepárese a lo largo de la diagonal (nula). En {y≤x}\{y \leq x\}:

∬y≤xf(x)g(y)x  ⁣dy  ⁣dx=∫f(x) (Hg)(x)  ⁣dx≤∥f∥p ∥Hg∥q≤p ∥f∥p∥g∥q,\iint_{y\leq x}\frac{f(x)g(y)}{x}\,\dd y\,\dd x = \int f(x)\,(Hg)(x)\,\dd x \leq \norm f_p\,\norm{Hg}_q \leq p\,\norm f_p\norm g_q,

puesto que Hardy en LqL^q lleva la constante qq−1=p\frac q{q-1} = p. Simétricamente, ∬y>x=∫g (Hf)≤∥g∥q∥Hf∥p≤q ∥f∥p∥g∥q\iint_{y>x} = \int g\,(Hf) \leq \norm g_q\norm{Hf}_p \leq q\,\norm f_p\norm g_q (pp−1=q\frac p{p-1} = q). En total: (p+q) ∥f∥p∥g∥q(p + q)\,\norm f_p\norm g_q.

21. Para an=n−1/pa_n = n^{-1/p}, n≤Nn \leq N: el miembro derecho es (pp−1)p∑n≤N1n=(pp−1)pln⁡N+O(1)\bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p\sum_{n\leq N}\frac1n = \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p\ln N + O(1). En el izquierdo, para n≤Nn \leq N: a1+⋯+an≥∫1n+1t−1/p ⁣dt=pp−1((n+1)1−1/p−1)a_1 + \dots + a_n \geq \int_1^{n+1}t^{-1/p}\dd t = \frac{p}{p-1}\bigl((n+1)^{1-1/p} - 1\bigr), de modo que la nn-ésima media de Cesàro es ≥pp−1n−1/p(1−o(1))\geq \frac p{p-1}n^{-1/p}(1 - o(1)) uniformemente para nn en cualquier rango n≥n0(η)n \geq n_0(\eta); elevando a pp y sumando, el miembro izquierdo es ≥(pp−1)p(1−η)ln⁡N+Oη(1)\geq \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p(1 - \eta)\ln N + O_\eta(1). Dividiendo y haciendo N→∞N \to \infty, y después η→0\eta \to 0: ninguna constante menor que (pp−1)p\bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p puede servir.

22. HH acotado en LpL^p: los promedios acumulados no inflan las normas pp (constante pp−1\frac p{p-1}); Cesàro en ℓp\ell^p: lo mismo, discretizado; MM acotado en LpL^p: incluso el mejor promedio local queda bajo control (constante O(1p−1)O(\frac1{p-1})). Los tres fallan en p=1p = 1, y por una sola razón: promediar una unidad de masa concentrada produce una cola 1x\frac1x (preguntas 10 y 13), y 1x\frac1x pertenece cerca del infinito a todo LpL^p salvo a L1L^1. El suavizado esparce la masa exactamente hasta la frontera armónica de la integrabilidad.

23. Póngase bn=an1/pb_n = a_n^{1/p}, de modo que ∑bnp=∑an\sum b_n^p = \sum a_n. La pregunta 8 da

∑n≥1(b1+⋯+bnn)p≤(pp−1)p∑n≥1an,\sum_{n\geq1}\Bigl(\frac{b_1 + \dots + b_n}n\Bigr)^{p} \leq \Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^{p}\sum_{n\geq1}a_n,

y la desigualdad entre las medias aritmética y geométrica acota cada sumando por abajo:

(b1+⋯+bnn)p≥(b1⋯bn)p/n=(a1⋯an)1/n.\Bigl(\frac{b_1 + \dots + b_n}n\Bigr)^{p} \geq \bigl(b_1\cdots b_n\bigr)^{p/n} = \bigl(a_1\cdots a_n\bigr)^{1/n}.

Por tanto, ∑(a1⋯an)1/n≤(pp−1)p∑an\sum(a_1\cdots a_n)^{1/n} \leq \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p\sum a_n para todo p>1p > 1. Con m=p−1m = p - 1,

(pp−1)p=(1+1m)m+1,\Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^{p} = \Bigl(1 + \frac1m\Bigr)^{m+1},

que decrece hacia e\eu cuando m→∞m \to \infty (la clásica sucesión monótona superior de e\eu). Tomando el ínfimo sobre pp se obtiene la desigualdad de Carleman con constante e\eu.

24. Para an=1na_n = \frac1n, (a1⋯an)1/n=(n!)−1/n(a_1\cdots a_n)^{1/n} = (n!)^{-1/n}. El encaje del Problema 11.1 da 2πn (n/e)n≤n!≤2πn (n/e)ne1/(12n)\sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n \leq n! \leq \sqrt{2\pi n}\,(n/\eu)^n\eu^{1/(12n)}, luego

(n!)1/n=ne (2πn)1/(2n)eO(1/n2)=ne(1+O(ln⁡nn)),(n!)^{1/n} = \frac n\eu\,(2\pi n)^{1/(2n)} \eu^{O(1/n^2)} = \frac n\eu\Bigl(1 + O\Bigl(\frac{\ln n}{n}\Bigr)\Bigr),

puesto que (2πn)1/(2n)=exp⁡(ln⁡(2πn)2n)(2\pi n)^{1/(2n)} = \exp\bigl(\frac{\ln(2\pi n)}{2n}\bigr). Invirtiendo, (n!)−1/n=en(1+O(ln⁡nn))(n!)^{-1/n} = \frac\eu n(1 + O(\frac{\ln n}n)), y sumando sobre n≤Nn \leq N:

∑n≤N(n!)−1/n=eln⁡N+O(1),e∑n≤N1n=eln⁡N+O(1)\sum_{n\leq N}(n!)^{-1/n} = \eu\ln N + O(1), \qquad \eu\sum_{n\leq N}\frac1n = \eu\ln N + O(1)

(la serie de errores ∑ln⁡nn2\sum\frac{\ln n}{n^2} converge). Una desigualdad de Carleman con constante cc obligaría a eln⁡N+O(1)≤c (ln⁡N+O(1))\eu\ln N + O(1) \leq c\,(\ln N + O(1)) y, por tanto, a c≥ec \geq \eu tras dividir por ln⁡N\ln N. Las sucesiones optimizadoras se alinean: la constante de Hardy se aproxima con n−1/pn^{-1/p} (pregunta 21) y la de Carleman con n−1n^{-1} — en cada caso, la sucesión de tipo armónico que queda justo fuera del espacio que se promedia.

25. Para f=1[0, 1]f = \mathbf 1_{\intcc01}: Hf(x)=1Hf(x) = 1 en (0, 1]\intoc01 y Hf(x)=1xHf(x) = \frac1x para x>1x > 1, luego ∥Hf∥22=1+∫1∞x−2 ⁣dx=2\norm{Hf}_2^2 = 1 + \int_1^\infty x^{-2}\dd x = 2 y el cociente es 2≈1.414\sqrt2 \approx 1.414, aproximadamente el 71%71\% de la cota óptima. Para fAf_A (p=2p = 2): F(x)=2(x−1)F(x) = 2(\sqrt x - 1) en [1, A]\intcc1A, de modo que en ese rango HfA=2x−1/2−2x−1Hf_A = 2x^{-1/2} - 2x^{-1} y, para x>Ax > A, HfA(x)=2(A−1)/xHf_A(x) = 2(\sqrt A - 1)/x. Elevando al cuadrado e integrando,

∫1A(2x−1/2−2x−1)2 ⁣dx=4ln⁡A−12+16A−4A,∫A∞4(A−1)2x2  ⁣dx=4−8A+4A,\begin{align*} \int_1^A\bigl(2x^{-1/2} - 2x^{-1}\bigr)^2\dd x &= 4\ln A - 12 + \frac{16}{\sqrt A} - \frac4A,\\ \int_A^{\infty}\frac{4(\sqrt A - 1)^2}{x^2}\,\dd x &= 4 - \frac{8}{\sqrt A} + \frac4A, \end{align*}

de donde ∥HfA∥22=4ln⁡A−8+8A−1/2\norm{Hf_A}_2^2 = 4\ln A - 8 + 8A^{-1/2}; dividiendo por ∥fA∥22=ln⁡A\norm{f_A}_2^2 = \ln A se obtiene la identidad enunciada. En A=e10A = \eu^{10}: 4−8(1−e−5)10=3.20544 - \frac{8(1 - \eu^{-5})}{10} = 3.2054, luego el cociente es 3.2054≈1.790<2\sqrt{3.2054} \approx 1.790 < 2. El defecto 4−∥HfA∥22/∥fA∥22∼8/ln⁡A4 - \norm{Hf_A}_2^2/\norm{f_A}_2^2 \sim 8/\ln A decae solo logarítmicamente: para alcanzar el cociente 1.991.99 haría falta ln⁡A≈200\ln A \approx 200, es decir, A≈1087A \approx 10^{87}. Las constantes óptimas son teoremas, no experimentos.

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