Mathematics · Buku 5 · Bachelor Year 3

Matematika Universitas — Tahun 3

Matematika Universitas — Tahun 3 · Bachelor Year 3

12Ruang Lp

Integral Lebesgue dibangun untuk analisis; dan ruang LpL^p adalah tempat analisis itu tinggal. Ruang itu Banach (menurut Riesz–Fischer) — yakni pelengkapan yang menurut Latihan 7.1 tak dipunyai fungsi kontinu — dan ia menopang teknologi pemulusan, yakni konvolusi terhadap pemulus, yang menghampiri setiap fungsi LpL^p oleh fungsi C\mathcal C^\infty. Bab ini membuktikan versi integral Hölder dan Minkowski, kelengkapannya, teorema kepadatannya, dan mesin peregularannya, lalu berakhir dengan geografi keterkandungan dan interpolasi tangga LpL^p. Sepanjang bab, (X,A,μ)(X, \mathcal A, \mu) adalah ruang ukuran dan fungsinya bernilai kompleks; sedangkan pada Rd\R^d, ukurannya adalah λd\lambda_d.

12.1 Definisi; Hölder dan Minkowski

Definisi 12.1

Untuk 1p<1 \leq p < \infty, Lp(μ)\mathcal L^p(\mu) adalah himpunan ff yang terukur dengan fp=(fp ⁣dμ)1/p<\norm f_p = \bigl(\int\abs f^p\dd\mu\bigr)^{1/p} < \infty, sedangkan L(μ)\mathcal L^\infty(\mu) himpunan ff yang terbatas di luar sebuah himpunan nol, dengan f\norm f_\infty berupa sup esensialnya — yakni MM terkecil dengan fM\abs f \leq M hampir di mana-mana (dan infimumnya tercapai: iriskan himpunan nolnya untuk M+1nM + \frac1n). Karena fp=0\norm f_p = 0 hanya memaksa f=0f = 0 hampir di mana-mana (Latihan 10.5), kita mendefinisikan

Lp(μ)=Lp(μ)/{f=0 hampir di mana-mana}:L^p(\mu) = \mathcal L^p(\mu)/\{f = 0 \text{ hampir di mana-mana}\} :

yakni unsurnya berupa kelas fungsi modulo himpunan nol, dan p\norm\cdot_p merupakan norma sejati pada LpL^p.

Teorema 12.2 (Ketaksamaan Hölder)

Misalkan 1p,q1 \leq p, q \leq \infty dengan 1p+1q=1\frac1p + \frac1q = 1 (yakni eksponen sekawan). Untuk f,gf, g yang terukur:

fg1fpgq,\norm{fg}_1 \leq \norm f_p\,\norm g_q ,

dengan kesamaannya (untuk 1<p<1 < p < \infty, norma berhingga, dan f,g0f,g\ne0) jika dan hanya jika fp\abs f^p dan gq\abs g^q sebanding hampir di mana-mana.

Bukti. Kasus {p,q}={1,}\{p, q\} = \{1, \infty\} berlangsung langsung (sebab fggf\abs{fg} \leq \norm g_\infty\abs f hampir di mana-mana). Misalkan 1<p<1 < p < \infty; lalu normalkan fp=gq=1\norm f_p = \norm g_q = 1 (lewat kehomogenannya; sedangkan norma nol atau tak berhingga bersifat trivial). Ketaksamaan Young abapp+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q (dengan a,b0a, b \geq 0; lewat kecekungan ln\ln, seperti pada Soal 8.1) memberikan secara titik demi titik fgfpp+gqq\abs{f g} \leq \frac{\abs f^p}p + \frac{\abs g^q}q; lalu integralkan: fg11p+1q=1\norm{fg}_1 \leq \frac1p + \frac1q = 1. Kesamaannya memaksa kesamaan hampir di mana-mana pada Young, yakni fp=gq\abs f^p = \abs g^q hampir di mana-mana (setelah penormalannya; dan setelah dibatalkan, kesebandingannya).

Teorema 12.3 (Ketaksamaan Minkowski)

Untuk 1p1 \leq p \leq \infty: f+gpfp+gp\norm{f + g}_p \leq \norm f_p + \norm g_p.

Bukti. Untuk p=1,p = 1, \infty: lewat ketaksamaan segitiga titik demi titik atau hampir di mana-mana. Sedangkan untuk 1<p<1 < p < \infty, andaikan f+gp<\norm{f+g}_p < \infty (jika tidak, pakailah f+gp2p1(fp+gp)\abs{f+g}^p \leq 2^{p-1}(\abs f^p + \abs g^p), dari kecembungan tpt^p, untuk melihat bahwa ruas kirinya berhingga bila ruas kanannya demikian). Maka

f+gppff+gp1+gf+gp1(fp+gp)f+gp1q\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

lewat Hölder, dan f+gp1q=f+gpp/q\norm{\abs{f+g}^{p-1}}_q = \norm{f+g}_p^{p/q} sebab (p1)q=p(p-1)q = p; lalu bagilah dengan f+gpp/q\norm{f+g}_p^{p/q} (jika tak nol; jika nol maka trivial) lalu pakai ppq=1p - \frac pq = 1.

12.2 Kelengkapan dan kawan-kawannya

Teorema 12.4 (Riesz–Fischer)

Untuk 1p1 \leq p \leq \infty, Lp(μ)L^p(\mu) merupakan ruang Banach. Lebih lanjut, setiap barisan yang konvergen di LpL^p mempunyai subbarisan yang konvergen hampir di mana-mana (dengan pendominasi LpL^p pada kasus p<p < \infty).

Bukti. Untuk p=p = \infty: barisan Cauchy terhadap \norm\cdot_\infty bersifat, di luar satu himpunan nol (yakni gabungan terbilang banyak), Cauchy seragam: sehingga ia konvergen seragam di luarnya; selesai. Misalkan p<p < \infty. Menurut Latihan 7.1(b) cukup dijumlahkan deret yang konvergen mutlak: misalkan fkp=M<\sum\norm{f_k}_p = M < \infty. Tetapkan Gn=knfkG_n = \sum_{k \leq n}\abs{f_k} dan G=kfkG = \sum_k\abs{f_k} (secara titik demi titik di [0,][0,\infty]): maka menurut Minkowski GnpM\norm{G_n}_p \leq M, dan kekonvergenan monoton (sebab GnpGpG_n^p \nearrow G^p) memberikan GpMp\int G^p \leq M^p: sehingga G<G < \infty hampir di mana-mana, jadi deret fk(x)\sum f_k(x) konvergen mutlak untuk hampir setiap xx; sebutlah jumlahnya S(x)S(x) (dengan nilai apa pun pada himpunan nolnya). Maka Sknfkp(2G)pL1\abs{S - \sum_{k\leq n}f_k}^p \leq (2G)^p \in L^1, dan kekonvergenan terdominasinya memberikan Sknfkp0\norm{S - \sum_{k\leq n}f_k}_p \to 0: jadi deretnya konvergen di LpL^p.

Untuk pernyataan subbarisannya: jika fnff_n \to f di LpL^p, pilihlah nkn_k dengan fnk+1fnkp2k\norm{f_{n_{k+1}} - f_{n_k}}_p \leq 2^{-k}; maka deret (fnk+1fnk)\sum(f_{n_{k+1}} - f_{n_k}) jatuh di bawah argumen sebelumnya: ia konvergen mutlak hampir di mana-mana, terdominasi oleh sebuah GLpG \in L^p, sehingga fnkfn1+()f_{n_k} \to f_{n_1} + \sum(\cdots) hampir di mana-mana, dan limit hampir di mana-mana itu haruslah (wakil dari) ff (sebab keduanya limit LpL^p). Pendominasinya: fnkfn1+G\abs{f_{n_k}} \leq \abs{f_{n_1}} + G.

Catatan 12.5

Kekonvergenan LpL^p tak mengakibatkan kekonvergenan hampir di mana-mana (lihat barisan mesin tik, Latihan 12.3), dan sebaliknya pun tidak (lihat gundukan yang lolos): sebab kedua ragamnya terkait hanya lewat subbarisan dan dominasi. Menyimpan contoh penyangkal Latihan 12.3 dalam ingatan adalah vaksin yang terbaik.

12.3 Teorema kepadatan

Teorema 12.6

Misalkan 1p<1 \leq p < \infty.

  1. Fungsi sederhana (dengan pendukung berukuran berhingga) bersifat padat di Lp(μ)L^p(\mu).
  2. Di Lp(Rd)L^p(\R^d), fungsi kontinu berpendukung kompak Cc(Rd)\mathcal C_c(\R^d) bersifat padat.
  3. Translasi bersifat kontinu pada Lp(Rd)L^p(\R^d): dengan menulis τhf=f(h)\tau_hf = f(\cdot - h), berlaku τhffp0\norm{\tau_hf - f}_p \to 0 saat h0h \to 0.

Tak satu pun dari ketiganya berlaku untuk p=p = \infty.

Bukti. (1) Untuk f0f \geq 0: barisan diadik snfs_n \nearrow f pada Teorema 10.4 memenuhi fsnpfpL1\abs{f - s_n}^p \leq f^p \in L^1: lewat kekonvergenan terdominasi. (Setiap snfs_n \leq f terletak di LpL^p, dan himpunan arasnya berukuran berhingga di tempat nilainya positif: sebab μ(snc)cpfp\mu(s_n \geq c) \leq c^{-p}\int f^p.) Lalu pecahlah ff yang umum menjadi empat bagian tak negatif.

(2) Menurut (1) cukup dihampiri 1A\mathbf 1_A dengan AA Borel yang λd(A)<\lambda_d(A) < \infty. Keteraturannya (dengan bukti seperti pada Teorema 9.13) memberikan KAUK \subseteq A \subseteq U, kompak di dalam terbuka, dengan λd(UK)<ε\lambda_d(U\setminus K) < \varepsilon; lalu fungsi Urysohn

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

bersifat kontinu, bernilai 11 pada KK dan 00 di luar UU, dan dapat diambil berpendukung kompak (susutkanlah UU menjadi himpunan terbuka terbatas lebih dahulu). Maka 1Aφppλd(UK)<ε\norm{\mathbf 1_A - \varphi}_p^p \leq \lambda_d(U\setminus K) < \varepsilon.

(3) Untuk gCcg \in \mathcal C_c: kekontinuan seragamnya memberikan τhgg0\norm{\tau_hg - g}_\infty \to 0, dengan pendukungnya di dalam satu kompak tetap bila h1\abs h \leq 1: sehingga τhggp0\norm{\tau_hg - g}_p \to 0. Sedangkan untuk ff yang umum: pilihlah gCcg \in \mathcal C_c dengan fgp<ε\norm{f - g}_p < \varepsilon; maka τhffp2fgp+τhggp\norm{\tau_hf - f}_p \leq 2\norm{f - g}_p + \norm{\tau_hg - g}_p (lewat keinvarianan translasi normanya).

Untuk p=p = \infty: penghampiran seragam atas 1(0,)\mathbf 1_{\intoo0\infty} oleh fungsi kontinu mustahil (sebab ada lompatan), dan τh1(0,)1(0,)=1\norm{\tau_h\mathbf 1_{\intoo0\infty} - \mathbf 1_{\intoo0\infty}}_\infty = 1 untuk h0h \neq 0.

12.4 Konvolusi dan peregularan

Teorema 12.7 (Ketaksamaan Young)

Misalkan 1p1 \leq p \leq \infty, fL1(Rd)f \in L^1(\R^d), dan gLp(Rd)g \in L^p(\R^d). Maka fgf * g terdefinisi hampir di mana-mana, termasuk LpL^p, dan

fgpf1gp.\norm{f * g}_p \leq \norm f_1\,\norm g_p .

Bukti. Untuk p=p = \infty: lewat batas langsungnya. Untuk p=1p = 1: Teorema 11.9. Misalkan 1<p<1 < p < \infty dengan qq sekawannya. Pecahlah f(y)=f(y)1/qf(y)1/p\abs{f(y)} = \abs{f(y)}^{1/q}\cdot \abs{f(y)}^{1/p} lalu terapkan Hölder:

f(y)g(xy) ⁣dy(f)1/q(f(y)g(xy)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} .

Lalu pangkatkan ke pp dan integralkan terhadap xx; maka Tonelli pada faktor keduanya memberikan f1p/qf1gpp\norm f_1^{p/q}\cdot\norm f_1\norm g_p^p, yakni fgppf11+p/qgpp=(f1gp)p\norm{f*g}_p^p \leq \norm f_1^{1 + p/q}\norm g_p^p = (\norm f_1\norm g_p)^p — sedangkan keberhinggaan integral Tonellinya membenarkan kekonvergenan mutlak hampir di mana-mana seperti pada Teorema 11.9.

Definisi 12.8 (Pemulus)

Fungsi

ρ(x)={cexp(11x2)x<1,0x1,\rho(x) = \begin{cases} c\,\exp\Bigl(-\dfrac{1}{1 - \norm x^2}\Bigr) & \norm x < 1,\\ 0 & \norm x \geq 1, \end{cases}

dengan cc yang menormalkan ρ=1\int\rho = 1, bersifat C\mathcal C^\infty pada Rd\R^d: sebab intinya adalah bahwa te1/t1t>0t \mapsto \eu^{-1/t}\mathbf 1_{t>0} bersifat C\mathcal C^\infty pada R\R, dengan semua turunannya di 0+0^+ bernilai 00 (sebab setiap turunannya berbentuk P(1/t)e1/tP(1/t)\eu^{-1/t} untuk sebuah polinomial PP, yang menuju 00; lewat induksi). Untuk ε>0\varepsilon > 0 tetapkan ρε(x)=εdρ(x/ε)\rho_\varepsilon(x) = \varepsilon^{-d}\rho(x/\varepsilon): yang berpendukung di Bˉ(0,ε)\bar B(0, \varepsilon), dan tetap berintegral 11.

Teorema 12.9 (Peregularan)

Misalkan 1p<1 \leq p < \infty dan fLp(Rd)f \in L^p(\R^d). Maka:

  1. fρεC(Rd)f * \rho_\varepsilon \in \mathcal C^\infty(\R^d), dengan α(fρε)=fαρε\partial^\alpha(f * \rho_\varepsilon) = f * \partial^\alpha\rho_\varepsilon;
  2. fρεfp0\norm{f * \rho_\varepsilon - f}_p \to 0 saat ε0\varepsilon \to 0;
  3. sehingga Cc(Rd)\mathcal C^\infty_c(\R^d) bersifat padat di Lp(Rd)L^p(\R^d).

Bukti. (1) Lewat pendiferensialan di bawah integralnya (Teorema 10.15) terhadap xx: sebab untuk xx di sebuah bola BB, xiρε(xy)Cε1K(y)\abs{\partial_{x_i}\rho_\varepsilon(x - y)} \leq C_\varepsilon\,\mathbf 1_{K}(y) dengan KK kompak (yakni yy sejauh ε\varepsilon dari BB), dan f1KL1\abs f\,\mathbf 1_K \in L^1 (lewat Hölder terhadap 1K\mathbf 1_K): sehingga teoremanya berlaku; lalu iterasikan untuk turunan yang lebih tinggi.

(2) Karena ρε=1\int\rho_\varepsilon = 1:

(fρε)(x)f(x)=(f(xy)f(x))ρε(y) ⁣dy,(f * \rho_\varepsilon)(x) - f(x) = \int \bigl(f(x - y) - f(x)\bigr)\rho_\varepsilon(y)\,\dd y ,

dan ketaksamaan integral Minkowski — atau langsung: Hölder/Jensen dengan ukuran peluang ρε ⁣dy\rho_\varepsilon\dd y dan Tonelli —

fρεfpp(f(xy)f(x)p ⁣dx)ρε(y) ⁣dy=τyffpp  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

(dengan langkah tengahnya: terapkan ketaksamaan Jensen, Latihan 12.10, pada integral-yy dalamnya, lalu Tonelli). Integrannya berpendukung di yε\norm y \leq \varepsilon dan menuju 00 di sana secara seragam saat ε0\varepsilon \to 0 (Teorema 12.6(3)): sehingga seluruh ungkapannya menuju 00.

(3) Hampirilah ff oleh gCcg \in \mathcal C_c (Teorema 12.6(2)), lalu gg oleh gρεCcg * \rho_\varepsilon \in \mathcal C_c^\infty (dengan pendukung kompak: yakni jumlah pendukungnya).

Contoh 12.10 (Memuluskan x\abs x, beserta lajunya)

Ambillah f(x)=xf(x) = \abs x pada R\R (yang L1L^1 secara lokal; sehingga teoremanya berlaku pada setiap jendela terbatas) dan sebuah pemulus setangkup ρε\rho_\varepsilon. Maka

fε(x)=(fρε)(x)=xyρε(y) ⁣dyf_\varepsilon(x) = (f * \rho_\varepsilon)(x) = \int\abs{x - y}\,\rho_\varepsilon(y)\,\dd y

bersifat C\mathcal C^\infty; sedangkan jauh dari tekukannya, tak terjadi apa-apa: sebab untuk xε\abs x \geq \varepsilon, xy\abs{x - y} linear terhadap xx pada pendukung ρε\rho_\varepsilon, sehingga fε(x)=xf_\varepsilon(x) = \abs x secara persis (sebab kesetangkupannya membunuh koreksinya). Di dekat 00, pemulusannya berbiaya tepat

0fε(0)=yρε(y) ⁣dyε,fεfε:0 \leq f_\varepsilon(0) = \int\abs y\,\rho_\varepsilon(y)\,\dd y \leq \varepsilon, \qquad \norm{f_\varepsilon - f}_\infty \leq \varepsilon :

sehingga galat penghampirannya terkurung di persekitaran-ε\varepsilon kesingularannya dan seukuran dengannya. Sementara itu fε0f_\varepsilon'' \geq 0 di mana-mana (sebab ff cembung, dan konvolusi terhadap ρε0\rho_\varepsilon \geq 0 mengawetkan kecembungan), dengan fε=fε()fε()=2\int f_\varepsilon'' = f_\varepsilon'(\infty) - f_\varepsilon'(-\infty) = 2: jadi turunan keduanya berupa gundukan bermassa 22 yang terjepit ke dalam lebar O(ε)O(\varepsilon), sehingga fεε1\norm{f_\varepsilon''}_\infty \gtrsim \varepsilon^{-1}. Jadi pemulusan adalah tukar tambah: galat seragam O(ε)O(\varepsilon) ditukar dengan peledakan turunan O(ε1)O(\varepsilon^{-1}) — yakni kurs tukar persis yang diformalkan analisis kuantitatif (lewat ketaksamaan interpolasi, yakni lingkaran gagasan Soal 12.1).

Akibat 12.11 (Lema fundamental kalkulus variasi)

Misalkan fLloc1(Rd)f \in L^1_{\mathrm{loc}}(\R^d) (yakni terintegralkan pada kompak) dengan fφ=0\int f\varphi = 0 untuk setiap φCc(Rd)\varphi \in \mathcal C^\infty_c(\R^d). Maka f=0f = 0 hampir di mana-mana.

Bukti. Tetapkan sebuah bola B=B(0,R)B = B(0, R) lalu misalkan g=f1B(0,R+1)L1g = f\mathbf 1_{B(0, R+1)} \in L^1. Untuk xBx \in B dan ε<1\varepsilon < 1: (gρε)(x)=f(y)ρε(xy) ⁣dy=0(g * \rho_\varepsilon)(x) = \int f(y)\rho_\varepsilon(x - y)\dd y = 0, sebab fungsi ujinya adalah yρε(xy)Ccy \mapsto \rho_\varepsilon(x-y) \in \mathcal C_c^\infty. Padahal gρεgg * \rho_\varepsilon \to g di L1L^1 (Teorema 12.9): sehingga g=0g = 0 hampir di mana-mana pada BB; lalu habiskanlah Rd\R^d.

12.5 Geografi LpL^p

Proposisi 12.12

(a) Jika μ(X)<\mu(X) < \infty dan 1pq1 \leq p \leq q \leq \infty, maka LqLpL^q \subseteq L^p dengan fpμ(X)1p1qfq\norm f_p \leq \mu(X)^{\frac1p - \frac1q}\,\norm f_q. (b) Pada Rd\R^d (yang berukuran tak berhingga) tak ada keterkandungan: sebab untuk pqp \neq q ada fungsi di LpLqL^p\setminus L^q. (c) (Interpolasi) Jika p<r<qp < r < q dan α(0,1)\alpha \in \intoo01 didefinisikan oleh 1r=αp+1αq\frac1r = \frac\alpha p + \frac{1 - \alpha}q, maka

frfpαfq1α;\norm f_r \leq \norm f_p^{\alpha}\,\norm f_q^{1 - \alpha} ;

khususnya LpLqLrL^p \cap L^q \subseteq L^r.

Bukti. (a) Lewat Hölder dengan eksponen qp\frac qp dan sekawannya: fp1fpq/p1(q/p)=fqpμ(X)1p/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} (sedangkan q=q = \infty langsung). (b) Di dekat 00 dan di dekat \infty, pangkat xαx^{-\alpha} mengkalibrasinya: Latihan 12.2. (c) Tulislah fr=frαfr(1α)\abs f^r = \abs f^{r\alpha}\abs f^{r(1-\alpha)} lalu terapkan Hölder dengan pasangan sekawan prα\frac p{r\alpha} dan qr(1α)\frac q{r(1-\alpha)} (yang sekawan persis menurut definisi α\alpha): frfprαfqr(1α)\int\abs f^r \leq \norm f_p^{r\alpha}\norm f_q^{r(1 - \alpha)}.

Metode 12.13

Perkakas LpL^p, sebagaimana dipakai di mana-mana di bawah ini: untuk membuktikan sebuah identitas atau ketaksamaan bagi setiap fLpf \in L^p — buktikanlah pada sebuah kelas yang padat (Cc\mathcal C_c^\infty lewat Teorema 12.9) lalu perluas lewat kekontinuannya (Teorema 7.2, sebab kedua ruasnya kontinu-LpL^p); untuk membuktikan f=0f = 0, ujilah terhadap Cc\mathcal C_c^\infty (Akibat 12.11); untuk memperoleh kemulusan, konvolusikanlah; dan untuk menukar eksponennya, pakailah Hölder dan interpolasi. Sedangkan teori Fourier Bab 14 merupakan satu terapan panjang metode ini.

12.6 Latihan

Latihan 12.1

(a) Nyatakan dan buktikan ketaksamaan Cauchy–Schwarz di L2(μ)L^2(\mu) sebagai kasus p=q=2p = q = 2 dari Hölder. (b) Pada ruang peluang, tunjukkan bahwa pfpp \mapsto \norm f_p bersifat tak turun. (c) Kapankah Hölder menjadi kesamaan untuk p=1p = 1 dan q=q = \infty?

Solusi

Solusi Latihan 12.1.

(a) Ambil p=q=2p = q = 2 pada Teorema 12.2: fgˉ ⁣dμfgf2g2\abs{\int f\bar g\,\dd\mu} \leq \int\abs{fg} \leq \norm f_2\norm g_2 — yakni Cauchy–Schwarz, dengan kesamaannya jika dan hanya jika f,g\abs f, \abs g sebanding dan fasanya sejajar.

(b) Pada ruang peluang, untuk pqp \leq q: terapkan Jensen (Latihan 12.10) dengan Φ(t)=tq/p\Phi(t) = \abs t^{q/p} yang cembung pada fungsi fp\abs f^p: maka (fp)q/pfq\bigl(\int\abs f^p\bigr)^{q/p} \leq \int\abs f^q, yakni fpfq\norm f_p \leq \norm f_q.

(c) Berlaku fg=f1g\int\abs{fg} = \norm f_1\norm g_\infty jika dan hanya jika g=g\abs{g} = \norm g_\infty hampir di mana-mana pada {f0}\{f \neq 0\} (sebab ketaksamaan fgfg\abs{fg} \leq \abs f\norm g_\infty haruslah kesamaan hampir di mana-mana).

Latihan 12.2

Untuk p[1,)p \in \intco1\infty yang mana fungsi berikut termasuk LpL^p?

x1/21(0,1),x1/21(1,),1x1/2(1+lnx) pada (0,1),11+x pada 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{pada } \intoo01, \qquad \frac1{1 + \abs x}\ \text{pada } \R .

Simpulkan: pada (0,1)\intoo01 pp yang kecil lebih mudah, pada (1,)\intoo1\infty pp yang besar lebih mudah, dan tak ada LpL^p yang memuat yang lain pada R\R.

Solusi

Solusi Latihan 12.2.

Berlaku 01xp/2 ⁣dx<\int_0^1 x^{-p/2}\dd x < \infty jika dan hanya jika p<2p < 2: sehingga yang pertama berada di LpL^p untuk p[1,2)p \in \intco12. Lalu 1xp/2 ⁣dx<\int_1^\infty x^{-p/2}\dd x < \infty jika dan hanya jika p>2p > 2: sehingga yang kedua untuk p(2,)p \in \intoo2\infty (dan p=p = \infty: sebab ia terbatas — sertakanlah). Yang ketiga: untuk p<2p < 2, ia terdominasi oleh xp/2x^{-p/2}: jadi terintegralkan; untuk p=2p = 2, substitusikan u=lnxu = -\ln x: 01 ⁣dxx(1+lnx)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; sedangkan untuk p>2p > 2 pangkatnya mendominasi: jadi divergen. Jadi p[1,2]p \in \intcc12. Yang keempat: R ⁣dx(1+x)p<\int_\R\frac{\dd x}{(1 + \abs x)^p} < \infty jika dan hanya jika p>1p > 1; dan ia terbatas, jadi LL^\infty pula: sehingga p(1,]p \in \intoc1\infty. Moralnya: keterintegralan di 00 menyukai pp yang kecil, sedangkan di \infty pp yang besar; dan menggabungkan kedua rintangannya, tak ada keterkandungan antara ruang Lp(R)L^p(\R).

Latihan 12.3 ★★

(Mesin tik) Cacahlah selang diadiknya 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}, … lalu misalkan fn=1Inf_n = \mathbf 1_{I_n}. (a) Tunjukkan bahwa fn0f_n \to 0 di setiap Lp([0,1])L^p(\intcc01) dengan p<p < \infty, tetapi (fn(x))(f_n(x)) divergen untuk setiap x[0,1]x \in \intcc01. (b) Tampilkan subbarisan yang konvergen hampir di mana-mana yang dijanjikan Teorema 12.4. (c) Sebaliknya berikan sebuah barisan yang konvergen hampir di mana-mana tetapi tak di L1L^1, dan satu yang konvergen di L1L^1 tetapi tak di LpL^p mana pun dengan p>1p > 1.

Solusi

Solusi Latihan 12.3.

(a) Berlaku fnpp=λ(In)0\norm{f_n}_p^p = \lambda(I_n) \to 0 (sebab pada aras diadik kk panjangnya 2k2^{-k}). Tetapi setiap xx terletak di satu selang pada setiap aras diadiknya: sehingga fn(x)=1f_n(x) = 1 tak berhingga sering dan =0= 0 tak berhingga sering (yakni selang pada aras yang sama yang tak memuat xx): jadi tak ada kekonvergenan di titik mana pun.

(b) Barisan fnk=1[0,2k]f_{n_k} = \mathbf 1_{\intcc0{2^{-k}}} (yakni selang pertama setiap arasnya) konvergen ke 00 di setiap x>0x > 0: jadi hampir di mana-mana.

(c) Hampir di mana-mana tetapi tak di L1L^1: n1(0,1/n)0n\mathbf 1_{\intoo0{1/n}} \to 0 hampir di mana-mana, dengan integral 11. Di L1L^1 tetapi tak di LpL^p mana pun (p>1p > 1): gn=en1(0, en/n)g_n = \eu^n\,\mathbf 1_{(0,\ \eu^{-n}/n)}: sebab gn1=1n0\norm{g_n}_1 = \frac1n \to 0, sedangkan gnpp=e(p1)n/n\norm{g_n}_p^p = \eu^{(p-1)n}/n \to \infty untuk setiap p>1p > 1.

Latihan 12.4 ★★

Misalkan μ(X)<\mu(X) < \infty dan fL(μ)f \in L^\infty(\mu) dengan f0f \neq 0. Tunjukkan bahwa fpf\norm f_p \to \norm f_\infty saat pp \to \infty. (Batas atasnya lewat (a) dari Proposisi 12.12; sedangkan batas bawahnya dengan mengintegralkan atas {f>fε}\{\abs f > \norm f_\infty - \varepsilon\}, yang berukuran positif.)

Solusi

Solusi Latihan 12.4.

Batas atasnya: fpμ(X)1/pf\norm f_p \leq \mu(X)^{1/p}\norm f_\infty (Proposisi 12.12(a) dengan q=q = \infty), dan μ(X)1/p1\mu(X)^{1/p} \to 1. Batas bawahnya: untuk ε>0\varepsilon > 0, A={f>fε}A = \{\abs f > \norm f_\infty - \varepsilon\} mempunyai μ(A)>0\mu(A) > 0 (menurut definisi sup esensialnya), dan

fp(Afp)1/p(fε)μ(A)1/ppfε.\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 .

Latihan 12.5 ★★

(a) Di manakah tepatnya bukti Teorema 12.6(3) memakai p<p < \infty? (b) Tunjukkan bahwa fL(R)f \in L^\infty(\R) memenuhi τhff0\norm{\tau_hf - f}_\infty \to 0 jika dan hanya jika ff mempunyai wakil yang kontinu seragam.

Solusi

Solusi Latihan 12.5.

(a) Dua kali: sebab pengubahan τhggpC1/pτhgg\norm{\tau_hg - g}_p \leq C^{1/p}\norm{\tau_hg - g}_\infty (dengan pendukung berukuran berhingga) merosot untuk p=p = \infty hanya karena kepadatan Cc\mathcal C_c gagal di sana — dan itulah jurang yang sebenarnya: sebab langkah (2) Teorema 12.6 tak beranalogi LL^\infty.

(b) Jika ff mempunyai wakil gg yang kontinu seragam: maka τhff=supxg(xh)g(x)0\norm{\tau_hf - f}_\infty = \sup_x\abs{g(x - h) - g(x)} \to 0. Sebaliknya, andaikan τhff0\norm{\tau_hf - f}_\infty \to 0. Maka pemulusannya fε=fρεf_\varepsilon = f * \rho_\varepsilon bersifat kontinu, dan

fεfsupyετyff0\norm{f_\varepsilon - f}_\infty \leq \sup_{\norm y \leq \varepsilon}\norm{\tau_yf - f}_\infty \longrightarrow 0

(sebab konvolusinya merupakan rata-rata translasinya). Setiap fεf_\varepsilon kontinu seragam (sebab τhfεfετhff\norm{\tau_hf_\varepsilon - f_\varepsilon}_\infty \leq \norm{\tau_hf - f}_\infty, lewat perata-rataannya), dan limit seragam fungsi kontinu seragam tetap demikian: sehingga ff sama hampir di mana-mana dengan sebuah fungsi yang kontinu seragam.

Latihan 12.6 ★★

Misalkan p,qp, q sekawan, fLp(Rd)f \in L^p(\R^d), dan gLq(Rd)g \in L^q(\R^d). Tunjukkan bahwa fgf * g terdefinisi di mana-mana, terbatas, dengan fgfpgq\norm{f*g}_\infty \leq \norm f_p\norm g_q, dan kontinu seragam. (Pakai kekontinuan translasi di LpL^p; lalu tanganilah p{1,}p \in \{1, \infty\} secara terpisah — sebab untuk p=p = \infty pakailah kekontinuan translasi pada faktor L1L^1-nya.)

Solusi

Solusi Latihan 12.6.

Menurut Hölder, untuk setiap xx integrannya yf(xy)g(y)y \mapsto f(x - y)g(y) berada di L1L^1 dengan (fg)(x)fpgq\abs{(f*g)(x)} \leq \norm f_p\norm g_q: jadi terdefinisi di mana-mana dan terbatas. Kekontinuan seragamnya (bila p<p < \infty):

(fg)(x+h)(fg)(x)=(τhff)(xy)g(y) ⁣dyτhffpgqh00,\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,

secara seragam terhadap xx (Teorema 12.6(3)). Jika p=p = \infty, maka q=1q = 1: tulislah fg=gff * g = g * f lalu jalankan batas yang sama dengan translasinya bekerja pada gL1g \in L^1.

Latihan 12.7 ★★

Misalkan fLloc1((a,b))f \in L^1_{\mathrm{loc}}(\intoo ab) dengan fφ=0\int f\varphi' = 0 untuk setiap φCc((a,b))\varphi \in \mathcal C^\infty_c(\intoo ab). Tunjukkan bahwa ff sama dengan sebuah konstanta hampir di mana-mana. (Tetapkan χCc\chi \in \mathcal C_c^\infty dengan χ=1\int\chi = 1; maka setiap ψCc\psi \in \mathcal C_c^\infty dengan ψ=0\int\psi = 0 berupa sebuah φ\varphi'; lalu tulislah fungsi uji umumnya sebagai ψ+(ψ)χ\psi + (\int\psi)\chi lalu terapkan Akibat 12.11 pada fcf - c dengan c=fχc = \int f\chi.)

Solusi

Solusi Latihan 12.7.

Tetapkan χCc((a,b))\chi \in \mathcal C_c^\infty(\intoo ab) dengan χ=1\int\chi = 1, lalu tetapkan c=fχc = \int f\chi. Misalkan φCc\varphi \in \mathcal C_c^\infty sembarang dan ψ=φ(φ)χ\psi = \varphi - \bigl(\int\varphi\bigr)\chi: maka ψ=0\int\psi = 0, sehingga Φ(x)=axψ\Phi(x) = \int_a^x\psi mendefinisikan ΦCc((a,b))\Phi \in \mathcal C_c^\infty(\intoo ab) (sebab ia lenyap di dekat kedua ujungnya: di dekat aa secara trivial, dan di dekat bb karena integral totalnya 00) dengan Φ=ψ\Phi' = \psi. Lalu hipotesisnya memberikan fψ=fΦ=0\int f\psi = \int f\Phi' = 0, sehingga

fφ=(φ)fχ=cφuntuk setiap φ:(fc)φ=0.\int f\varphi = \Bigl(\int\varphi\Bigr)\int f\chi = \int c\,\varphi \quad\text{untuk setiap } \varphi: \qquad \int(f - c)\varphi = 0 .

Menurut Akibat 12.11 (yang dilokalkan pada (a,b)\intoo ab), f=cf = c hampir di mana-mana.

Latihan 12.8 ★★★

(Urysohn yang mulus) Misalkan KURdK \subseteq U \subseteq \R^d dengan KK kompak dan UU terbuka. Konstruksikan φCc(Rd)\varphi \in \mathcal C^\infty_c(\R^d) dengan 0φ10 \leq \varphi \leq 1, φ=1\varphi = 1 pada KK, dan suppφU\operatorname{supp}\varphi \subseteq U. (Muluskanlah indikator persekitaran-δ\delta KδK_\delta dari KK dengan ρδ/2\rho_{\delta/2}, untuk δ\delta yang kecil.) Lalu turunkan pernyataan partisi satuan C\mathcal C^\infty bagi sebuah kompak yang terselimuti berhingga banyak himpunan terbuka.

Solusi

Solusi Latihan 12.8.

Misalkan 3δ<d(K,RdU)3\delta < d(K, \R^d\setminus U) (yang positif: Latihan 6.6(b); dan jika U=RdU = \R^d maka sembarang δ\delta berhasil), Kδ={x:d(x,K)δ}K_\delta = \{x : d(x, K) \leq \delta\}, dan

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

Maka φC\varphi \in \mathcal C^\infty (Teorema 12.9(1); sebab indikatornya L1L^1), 0φ10 \leq \varphi \leq 1 (sebab ρ=1\int\rho = 1), φ=1\varphi = 1 pada KK (sebab untuk xKx \in K, Bˉ(x,δ/2)Kδ\bar B(x, \delta/2) \subseteq K_\delta, sehingga konvolusinya mengintegralkan ρ\rho sepenuhnya), dan suppφK3δ/2U\operatorname{supp}\varphi \subseteq K_{3\delta/2} \subseteq U: jadi berpendukung kompak (sebab KδK_\delta terbatas). Untuk partisi satuannya: diberikan KU1UmK \subseteq U_1\cup\dots\cup U_m, pilihlah (lewat kekompakannya) kompak KiUiK_i \subseteq U_i dengan KK˚iK \subseteq \bigcup \mathring K_i, ambil φi\varphi_i seperti di atas untuk (Ki,Ui)(K_i, U_i), lalu tetapkan ψi=φij<i(1φj)\psi_i = \varphi_i\prod_{j <i}(1 - \varphi_j): maka setiap ψiCc(Ui)\psi_i \in \mathcal C_c^\infty(U_i), dan iψi=1i(1φi)=1\sum_i\psi_i = 1 - \prod_i(1 - \varphi_i) = 1 pada KK.

Latihan 12.9 ★★

Dengan memakai interpolasi (Proposisi 12.12(c)): (a) tunjukkan bahwa L1(R)L(R)Lp(R)L^1(\R)\cap L^\infty(\R) \subseteq L^p(\R) untuk setiap pp, dengan fpf11/pf11/p\norm f_p \leq \norm f_1^{1/p}\norm f_\infty^{1 - 1/p}; (b) tunjukkan bahwa ffpf \mapsto \norm f_p bersifat, untuk ff yang tetap, log-cembung terhadap 1p\frac1p, lalu berikan contoh yang fLpf \in L^p-nya tepat untuk pp pada suatu selang (p0,p1)(p_0, p_1).

Solusi

Solusi Latihan 12.9.

(a) Eksponen interpolasinya untuk (p0,q0)=(1,)(p_0, q_0) = (1, \infty) di r=pr = p adalah α=1p\alpha = \frac1p: sehingga Proposisi 12.12(c) memberikan fpf11/pf11/p\norm f_p \leq \norm f_1^{1/p}\norm f_\infty^{1 - 1/p}.

(b) Dengan mengambil logaritma pada Proposisi 12.12(c): lnfrαlnfp+(1α)lnfq\ln\norm f_r \leq \alpha\ln\norm f_p + (1-\alpha)\ln\norm f_q dengan 1r\frac1r berupa kombinasi cembung yang sama atas 1p,1q\frac1p, \frac1q: sehingga 1plnfp\frac1p \mapsto \ln\norm f_p cembung. Contoh yang keanggotaan LpL^p-nya tepat pada (p0,p1)\intoo{p_0}{p_1}:

f(x)=x1/p11(0,1)(x)+x1/p01[1,)(x):f(x) = x^{-1/p_1}\,\mathbf 1_{\intoo01}(x) + x^{-1/p_0}\,\mathbf 1_{\intco1\infty}(x):

sebab suku pertamanya LpL^p jika dan hanya jika p<p1p < p_1, dan yang kedua jika dan hanya jika p>p0p > p_0.

Latihan 12.10 ★★

(Jensen) Misalkan μ\mu sebuah ukuran peluang, fL1(μ)f \in L^1(\mu) real, dan Φ ⁣:RR\Phi \colon \R \to \R cembung. Tunjukkan bahwa

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

(pakailah garis penopang Φ\Phi di titik m=fm = \int f). Lalu turunkan ketaksamaan rata-rata hitung–ukur beserta kemonotonan pfpp \mapsto \norm f_p pada Latihan 12.1(b).

Solusi

Solusi Latihan 12.10.

Misalkan m=f ⁣dμRm = \int f\,\dd\mu \in \R. Kecembungannya menyediakan garis penopang di mm: yakni ada ss dengan Φ(t)Φ(m)+s(tm)\Phi(t) \geq \Phi(m) + s(t - m) untuk setiap tt (ambillah ss di antara turunan sepihaknya, yang ada bagi fungsi cembung). Lalu substitusikan t=f(x)t = f(x) dan integralkan terhadap peluang μ\mu:

Φf ⁣dμΦ(m)+s(fm)=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)

(keterukurannya: sebab Φ\Phi kontinu; sedangkan keterintegralan bagian negatif Φf\Phi\circ f dijamin oleh garis penopangnya). Untuk rata-rata hitung–ukur: pada himpunan berhingga berbobot wiw_i, ambillah Φ=exp\Phi = \exp dan f=(lnai)1if = \sum(\ln a_i)\mathbf 1_i: maka exp(wilnai)wiai\exp\bigl(\sum w_i\ln a_i\bigr) \leq \sum w_ia_i, yakni aiwiwiai\prod a_i^{w_i} \leq \sum w_ia_i. Sedangkan kemonotonan normanya adalah Latihan 12.1(b).

Latihan 12.11 ★★★

(Ketaksamaan konvolusi Young) Misalkan 1p,q,r1 \leq p, q, r \leq \infty dengan 1p+1q=1+1r\frac1p + \frac1q = 1 + \frac1r, dan fLp(Rd)f \in L^p(\R^d), gLq(Rd)g \in L^q(\R^d). (a) Buktikan fgrfpgq\norm{f * g}_r \leq \norm f_p\,\norm g_q. (Tulislah, untuk eksponen sekawan yang dihitung dari p,q,rp, q, r, f(y)g(xy)=(fpgq)1/rfp(1/p1/r)gq(1/q1/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)}, lalu terapkan ketaksamaan Hölder tiga faktor dengan eksponen rr, prrp\frac{pr}{r - p}, qrrq\frac{qr}{r - q}; lalu integralkan terhadap xx lewat Tonelli.) (b) Periksalah ketiga kasus khusus yang sudah dikenal: r=r = \infty (yakni Hölder, Latihan 12.6); q=1q = 1 (yakni kestabilan-LpL^p konvolusi oleh kernel terintegralkan); dan p=q=1p = q = 1 (yakni L1L^1 sebagai aljabar konvolusi, Teorema 11.9). (c) Mengapa tak ada ketaksamaan dengan 1p+1q<1+1r\frac1p + \frac1q < 1 + \frac1r? (Ujilah pada pendilatan fλ(x)=f(λx)f_\lambda(x) = f(\lambda x) lalu bandingkan penskalaan kedua ruasnya.)

Solusi

Solusi Latihan 12.11.

(a) Andaikan dahulu p,q,r<p, q, r < \infty dan f,g0f, g \geq 0 (gantilah dengan nilai mutlaknya). Ketiga eksponennya rr, α=prrp\alpha = \frac{pr}{r-p}, dan β=qrrq\beta = \frac{qr}{r-q} memenuhi 1r+1α+1β=1r+1p1r+1q1r=1\frac1r + \frac1\alpha + \frac1\beta = \frac1r + \frac1p - \frac1r + \frac1q - \frac1r = 1 (yakni hubungan penskalaannya). Lalu pecahlah, untuk xx yang tetap,

f(y)g(xy)=[f(y)pg(xy)q]1/rf(y)1p/rg(xy)1q/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},

dan Hölder dengan ketiga eksponennya memberikan

(fg)(x)(fpg(x)q)1/rfpp/αα/p(f*g)(x) \leq \Bigl(\int f^pg(x-\cdot)^q\Bigr)^{1/r} \norm f_p^{\,p/\alpha\cdot\alpha/p}\cdots

lebih tepatnya: faktor keduanya adalah (f(1p/r)α)1/α=fpp(1/p1/r)\bigl(\int f^{(1-p/r)\alpha}\bigr)^{1/\alpha} = \norm f_p^{p(1/p - 1/r)} sebab (1pr)α=p(1 - \frac pr)\alpha = p, dan demikian pula yang ketiga adalah gqq(1/q1/r)\norm g_q^{q(1/q - 1/r)}. Lalu pangkatkan ke rr dan integralkan terhadap xx (dengan Tonelli pada faktor pertamanya):

fgrrfppgqqfprp(1/p1/r)gqrq(1/q1/r)=fprgqr.\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 .

Sedangkan kasus ujungnya (r=r = \infty atau sebuah eksponen yang sama dengan batasnya) berupa Hölder biasa atau taksiran langsung.

(b) r=r = \infty memaksa q=pq = p': sehingga fg(x)fpgp\abs{f*g(x)} \leq \norm f_p\norm g_{p'} — yakni Hölder setelah translasi dan pencerminan. Lalu q=1q = 1 memberikan r=pr = p: fgpg1fp\norm{f*g}_p \leq \norm g_1\norm f_p, yakni kuda beban pemulusannya (yaitu mesin Teorema 12.9). Sedangkan p=q=1p = q = 1 memberikan r=1r = 1: yakni aljabar konvolusinya (Teorema 11.9).

(c) Gantilah f,gf, g dengan fλ=f(λ)f_\lambda = f(\lambda\cdot) dan gλ=g(λ)g_\lambda = g(\lambda\cdot): maka fλgλ=λd(fg)(λ)f_\lambda*g_\lambda = \lambda^{-d}(f*g)(\lambda\cdot), dan dengan membandingkan normanya,

ruas kiriλdd/r,ruas kananλd/pd/q:\text{ruas kiri} \sim \lambda^{-d - d/r}, \qquad \text{ruas kanan} \sim \lambda^{-d/p - d/q} :

sehingga ketaksamaan yang sahih bagi setiap f,gf, g memaksa kedua eksponen penskalaannya bersesuaian, yakni 1+1r=1p+1q1 + \frac1r = \frac1p + \frac1q secara persis. Sedangkan gabungan lain mana pun mati saat λ0\lambda \to 0 atau \infty: jadi hubungan Young bukanlah kemudahan melainkan sebuah hukum penskalaan.

Latihan 12.12 ★★

(Kasus kesamaan) (a) Pada ketaksamaan Hölder fgfpgq\int\abs{fg} \leq \norm f_p\norm g_q (dengan 1<p<1 < p < \infty), tunjukkan bahwa kesamaannya berlaku jika dan hanya jika fp\abs f^p dan gq\abs g^q sebanding hampir di mana-mana. (Lacaklah kasus kesamaan ketaksamaan Young abapp+bqqab \leq \frac{a^p}p + \frac{b^q}q, yang berupa ap=bqa^p = b^q.) (b) Pada ketaksamaan Minkowski f+gpfp+gp\norm{f + g}_p \leq \norm f_p + \norm g_p (dengan 1<p<1 < p < \infty), tunjukkan bahwa kesamaannya dengan f,g0f, g \neq 0 memaksa g=cfg = cf hampir di mana-mana dengan c>0c > 0. (c) Bandingkan dengan p=1p = 1 dan p=p = \infty: uraikanlah kasus kesamaannya di sana (yang jauh lebih besar), lewat contoh.

Solusi

Solusi Latihan 12.12.

(a) Normalkan fp=gq=1\norm f_p = \norm g_q = 1. Bukti Hölder mengintegralkan ketaksamaan Young fgfpp+gqq\abs{fg} \leq \frac{\abs f^p}p + \frac{\abs g^q}q; dan kesamaan integralnya memaksa kesamaan hampir di mana-mana pada Young, yang (lewat kecembungan sejati exp\exp; dengan kesamaannya jika dan hanya jika ap=bqa^p = b^q) berarti fp=gq\abs f^p = \abs g^q hampir di mana-mana. Setelah penormalannya dibatalkan: fpgqq=gqfpp\abs f^p\norm g_q^q = \abs g^q\norm f_p^p hampir di mana-mana — yakni kesebandingannya.

(b) Minkowski berupa dua Hölder yang diterapkan pada f+gp1f\abs{f + g}^{p-1} \abs f dan f+gp1g\abs{f+g}^{p-1}\abs g; sehingga kesamaannya memaksa kesebandingan (a) pada keduanya: yakni fp\abs f^p dan gp\abs g^p masing-masing sebanding dengan f+g(p1)q=f+gp\abs{f+g}^{(p-1)q} = \abs{f+g}^p, sehingga g=tf\abs g = t\abs f hampir di mana-mana untuk sebuah konstanta t0t \geq 0; dan ketaksamaan segitiga titik demi titik awalnya f+gf+g\abs{f + g} \leq \abs f + \abs g pun haruslah kesamaan hampir di mana-mana, yang untuk nilai kompleks berarti ff dan gg berargumen sama hampir di mana-mana di tempat keduanya tak nol. Digabungkan: g=tfg = tf hampir di mana-mana dengan t>0t > 0 (sebab keduanya tak nol).

(c) Untuk p=1p = 1: kesamaan pada f+g=f+g\int\abs{f + g} = \int\abs f + \int\abs g berlaku setiap kali f,gf, g berpola tanda yang sama (yakni berargumen sama hampir di mana-mana) — tanpa perlu kesebandingan: sebab f=1[0,1]f = \mathbf 1_{\intcc01} dan g=1[0,2]g = \mathbf 1_{\intcc02} berhasil. Sedangkan untuk p=p = \infty: f+g=f+g\norm{f+g}_\infty = \norm f_\infty + \norm g_\infty segera setelah kedua fungsinya memuncak secara serasi di sebuah titik bersama (atau sepanjang sebuah barisan bersama): sehingga f=gf = g\, di dekat satu titik sudah cukup, apa pun perilakunya di tempat lain. Jadi kecembungan sejati bola LpL^p untuk 1<p<1 < p < \infty — dan kegagalannya di titik ujungnya — tepat merupakan hal yang disaksikan kasus kesamaan ini.

12.7 Soal: ketaksamaan Hardy

Soal 12.1

Soal akhir pekan — ketaksamaan Hardy dan konstanta tajamnya

Untuk fLp((0,+))f \in L^p(\intoo0{+\infty}) dengan 1<p<1 < p < \infty, definisikan operator Hardy

(Hf)(x)=1x0xf(t) ⁣dt.(Hf)(x) = \frac1x\int_0^x f(t)\,\dd t .

Ketaksamaan Hardy (1920) menyatakan

Hfp    pp1fp,\norm{Hf}_p \;\leq\; \frac{p}{p-1}\,\norm f_p ,

dan konstanta pp1\frac p{p-1} bersifat optimal serta tak tercapai. Soal ini membuktikan segalanya, lalu memperluasnya ke deret.

Bagian I — Ketaksamaannya. Andaikan dahulu f0f \geq 0 kontinu dengan pendukung kompak di (0,+)\intoo0{+\infty}, lalu misalkan F(x)=0xfF(x) = \int_0^xf.

  1. Tunjukkan bahwa HfLpHf \in L^p: sebab di dekat 00, FF lenyap pada sebuah persekitaran 00; sedangkan di dekat \infty, FF terbatas, sehingga (Hf)(x)=O(1/x)(Hf)(x) = O(1/x), dan x1xx \mapsto \frac1x termasuk Lp((1,+))L^p(\intoo1{+\infty}) untuk p>1p > 1.
  2. Integralkan secara parsial untuk menunjukkan bahwa

    0(Fx)p ⁣dx=pp10(Fx)p1f(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 .

    (Turunkan x1pFpx^{1-p}F^p; sedangkan suku batasnya lenyap — benarkanlah kedua ujungnya.)

  3. Terapkan Hölder pada ruas kanannya lalu turunkan Hfppp1fp\norm{Hf}_p \leq \frac p{p-1}\norm f_p untuk ff semacam itu.
  4. Perluaslah ke seluruh LpL^p: untuk f0f \geq 0, konstruksikan fnf_n yang kontinu dengan pendukung kompak di (0,+)\intoo0{+\infty} dan 0fnf0 \leq f_n \nearrow f hampir di mana-mana (pancunglah, lalu hampirilah secara monoton — benarkan konstruksinya); maka HfnHfHf_n \nearrow Hf secara titik demi titik (lewat kekonvergenan monoton di dalam rata-ratanya) dan kekonvergenan monotonnya mengalihkan ketaksamaannya ke limitnya. Sedangkan untuk ff yang bertanda atau kompleks, simpulkan dengan HfHf\abs{Hf} \leq H\abs f.

Bagian II — Keoptimalannya.

  1. Untuk A>1A > 1 misalkan fA(t)=t1/p1[1,A](t)f_A(t) = t^{-1/p}\,\mathbf 1_{\intcc1A}(t). Hitunglah fApp=lnA\norm{f_A}_p^p = \ln A lalu, untuk 1xA1 \leq x \leq A,

    (HfA)(x)=pp1  x1/p(1x(11/p)).(Hf_A)(x) = \frac p{p-1}\;x^{-1/p}\, \bigl(1 - x^{-(1 - 1/p)}\bigr).
  2. Turunkan lim infAHfAp/fAppp1\liminf_{A\to\infty} \norm{Hf_A}_p/ \norm{f_A}_p \geq \frac{p}{p-1}, lalu simpulkan bahwa konstantanya optimal.
  3. Tunjukkan bahwa kesamaan Hfp=pp1fp\norm{Hf}_p = \frac p{p-1}\norm f_p dengan f0f \neq 0 mustahil. (Lacaklah kasus kesamaan Hölder pada pertanyaan 3: ia akan memaksa perilaku bertipe f=cx1/pf = cx^{-1/p}, yang tak berada di LpL^p.)

Bagian III — Ketaksamaan diskretnya.

  1. Untuk g0g \geq 0 yang tak naik pada (0,)(0,\infty) dan an=g(n)a_n = g(n), bandingkanlah anp\sum a_n^p dengan gp\int g^p, beserta rata-rata-HH-nya, untuk menurunkan dari Bagian I ketaksamaan Hardy diskret: yakni untuk an0a_n \geq 0,

    n1(a1++ann)p    (pp1)pn1anp\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

    — buktikanlah dahulu untuk (an)(a_n) yang tak naik lewat pembandingan di atas, lalu susutkan kasus umumnya ke kasus tak naiknya lewat penyusunan ulang (terimalah, dengan pembenaran satu baris, bahwa menyortir (an)(a_n) secara turun hanya dapat menaikkan ruas kirinya sambil membiarkan ruas kanannya tetap).

  2. Turunkan: jika anp<\sum a_n^p < \infty maka rata-rata Cesàro (an)(a_n) kembali berada di p\ell^p — lalu berikan sebuah contoh (p=2p = 2) yang (an)2(a_n) \in \ell^2-nya tetapi ana_n-nya tak terjumlahkan, padahal Hardy tetap mengendalikan rata-ratanya.

Bagian IV — Epilog.

  1. Tunjukkan bahwa ketaksamaan Hardy gagal untuk p=1p = 1: dengan f=1[0,1]f = \mathbf 1_{\intcc01}, hitunglah HfHf lalu amati bahwa HfL1Hf \notin L^1. Di manakah buktinya patah?

Bagian V — Fungsi maksimalnya, dan teorema pendiferensialan Lebesgue. Hardy merata-ratakan dari titik asal; sedangkan Hardy–Littlewood merata-ratakan di sekitar setiap titik. Untuk fL1(R)f \in L^1(\R) definisikan

Mf(x)=supr>0 12rxrx+rf ⁣dλ.Mf(x) = \sup_{r>0}\ \frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}\abs f\,\dd\lambda .
  1. (Vitali, versi berhingga) Misalkan B1,,BNB_1, \dots, B_N selang terbuka. Tunjukkan bahwa ada subkeluarga saling lepas Bi1,,BikB_{i_1}, \dots, B_{i_k} dengan jBjl3Bil\bigcup_jB_j \subseteq \bigcup_l3B_{i_l}, dengan 3B3B menandai selang berpusat sama dan berpanjang tiga kali lipat (secara rakus: berulang kali pilihlah selang terpanjang yang saling lepas dengan yang sudah terpilih).
  2. (Tipe lemah (1,1)(1,1)) Tunjukkan bahwa untuk setiap t>0t > 0,

    λ({Mf>t})    3tf1:\lambda\bigl(\{Mf > t\}\bigr) \;\leq\; \frac3t\,\norm f_1 :

    sebab setiap xx dengan Mf(x)>tMf(x) > t memiliki sebuah selang berpusat BxB_x dengan Bxf>tλ(Bx)\int_{B_x}\abs f > t\,\lambda(B_x); lalu ambillah sebuah kompak K{Mf>t}K \subseteq \{Mf > t\} (lewat keteraturan dalamnya), selimuti ia oleh berhingga banyak BxB_x, terapkan pertanyaan 11, lalu habiskan.

  3. Hitunglah M1[0,1](x)M\mathbf 1_{\intcc01}(x) untuk x>1x > 1 lalu turunkan bahwa MfL1Mf \notin L^1 untuk setiap f0f \neq 0 (sebab Mf(x)cxMf(x) \geq \frac c{\abs x} di tak hingga): sehingga pada p=1p = 1, ketaksamaan lemah pertanyaan 12 merupakan pernyataan terbaik yang mungkin.
  4. (Tipe kuat untuk p>1p > 1) Untuk fLpf \in L^p: pecahlah f=f1f>t/2+f1ft/2f = f\,\mathbf 1_{\abs f > t/2} + f\,\mathbf 1_{\abs f \leq t/2}, amati bahwa MfM(f1f>t/2)+t2Mf \leq M\bigl(f\mathbf 1_{\abs f > t/2}\bigr) + \frac t2, lalu gabungkan pertanyaan 12 dengan rumus kue berlapis (Proposisi 11.8) dan Tonelli untuk membuktikan

    Mfpp    6p2p1p1fpp.\norm{Mf}_p^p \;\leq\; \frac{6p\,2^{p-1}}{p-1}\,\norm f_p^p .

    (Sedangkan peledakannya saat p1p \downarrow 1 adalah kegagalan pertanyaan 13, yang terukur.)

  5. (Teorema pendiferensialan Lebesgue) Buktikan: untuk fL1(R)f \in L^1(\R),

    12rxrx+rf ⁣dλ    f(x)(r0)untuk hampir setiap x.\frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}f\,\dd\lambda \;\longrightarrow\; f(x) \qquad (r \to 0)\quad\text{untuk hampir setiap }x .

    (Jelas untuk ff yang kontinu. Secara umum tulislah f=g+hf = g + h, dengan gg kontinu berpendukung kompak dan h1<ε\norm h_1 < \varepsilon (Teorema 12.6); maka himpunan yang lim supr0\limsup_{r\to0} osilasi rata-ratanya melampaui δ\delta terletak di dalam {Mh>δ/2}{h>δ/2}\{Mh > \delta/2\} \cup \{\abs h > \delta/2\}, yang berukuran O(ε/δ)O(\varepsilon/\delta); lalu biarkan ε0\varepsilon \to 0, lalu δ0\delta \to 0 sepanjang sebuah barisan.)

  6. Turunkan: (a) hampir setiap titik merupakan titik Lebesgue bagi ff; (b) untuk fL1f \in L^1, antiturunan F(x)=0xfF(x) = \int_0^xf dapat diturunkan hampir di mana-mana dengan F=fF' = f hampir di mana-mana — yakni separuh integral teorema fundamental kalkulus di dunia Lebesgue, yang menutup lingkaran yang dibuka tangganya (Soal 9.1), yang menunjukkan bahwa separuh sebaliknya dapat gagal.
  7. (Titik kepadatan) Untuk ARA \subseteq \R yang terukur, tunjukkan bahwa hampir setiap xAx \in A memenuhi λ(A[xr,x+r])2r1\frac{\lambda(A\cap\intcc{x-r}{x+r})}{2r} \to 1: sehingga himpunan terukur bersifat penuh secara lokal di hampir semua titiknya. Lalu sketsakan, dalam dua baris, bagaimana ini melahirkan satu lagi bukti teorema Steinhaus (Latihan 9.8).

Bagian VI — Ragam pada tema perata-rataan.

  1. (Hardy berbobot) Untuk α<p1\alpha < p - 1 dan f0f \geq 0, tunjukkan bahwa

    0(F(x)x)pxα ⁣dx    (pp1α)p0f(x)pxα ⁣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

    lewat pengintegralan parsial yang sama, lalu periksalah bahwa perbatasan α=p1\alpha = p - 1 sungguh terlarang (sesuaikan contoh penyangkal pertanyaan 10).

  2. (Adjoinnya) Misalkan Hf(x)=xf(t)t ⁣dtH^*f(x) = \int_x^{\infty}\frac{f(t)}t\,\dd t. Tunjukkan bahwa Hf,g=f,Hg\langle Hf, g\rangle = \langle f, H^*g\rangle untuk f,gf, g yang tak negatif (lewat Tonelli), lalu buktikan Hfppfp\norm{H^*f}_p \leq p\,\norm f_p (langsung lewat pengintegralan parsial, atau dari Hardy pada eksponen sekawannya lewat dualitas — perhatikanlah eksponen mana yang memungut konstanta mana).
  3. (Sebuah ketaksamaan bertipe Hilbert) Turunkan bahwa untuk fLpf \in L^p, gLqg \in L^q yang tak negatif:

    0 ⁣ ⁣0f(x)g(y)max(x,y) ⁣dx ⁣dy    (p+q)fpgq\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

    (pisahkanlah sepanjang y<xy < x / yxy \geq x: sebab masing-masing separuhnya merupakan pemasangan satu fungsi terhadap transformasi Hardy yang lain).

  4. (Keoptimalan, secara diskret) Tunjukkan bahwa konstanta (pp1)p\bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p pada pertanyaan 8 juga optimal: ujilah pada an=n1/p1nNa_n = n^{-1/p}\,\mathbf 1_{n \leq N}, bandingkan kedua ruasnya dengan integral, lalu biarkan NN \to \infty (yakni cermin diskret Bagian II).
  5. (Sintesis) Tiga operator perata-rataan muncul pada soal ini: yakni HH milik Hardy, rata-rata Cesàro diskret, dan operator maksimal MM. Nyatakan dalam satu baris masing-masing apa yang dikatakan keterbatasannya, amati bahwa ketiganya gagal tepat di p=1p = 1, lalu terangkan mengapa itu kegagalan yang sama tiga kali (yakni ekor harmonik 1x\frac1x).

Bagian VII — Ketaksamaan Carleman, dan seberapa tajamkah tajam itu.

  1. (Ketaksamaan Carleman) Misalkan an0a_n \geq 0 dengan an<\sum a_n < \infty. Terapkan ketaksamaan Hardy diskret pada pertanyaan 8 ke bn=an1/pb_n = a_n^{1/p}, pakailah ketaksamaan rata-rata hitung–ukur, lalu biarkan pp \to \infty (dengan menunjukkan bahwa p(pp1)pp \mapsto \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p turun menuju e\eu) untuk memperoleh

    n1(a1a2an)1/n    en1an:\sum_{n\geq1}\bigl(a_1a_2\cdots a_n\bigr)^{1/n} \;\leq\; \eu\,\sum_{n\geq1}a_n :

    sehingga rata-rata ukur sebuah barisan terjumlahkan tetap terjumlahkan, dengan biaya paling banyak e\eu.

  2. (Konstanta e\eu bersifat optimal) Ujilah an=1n1nNa_n = \frac1n\,\mathbf 1_{n\leq N}: dengan memakai pengapitan Stirling Soal 11.1, tunjukkan bahwa (n!)1/n=en(1+O(lnnn))(n!)^{-1/n} = \frac\eu n\bigl(1 + O\bigl(\frac{\ln n}n\bigr)\bigr), turunkan bahwa kedua ruas Carleman tumbuh seperti elnN\eu\ln N, lalu simpulkan bahwa tak ada konstanta yang lebih kecil daripada e\eu yang dapat bekerja. (Amatilah polanya: sebab pengoptimal Hardy maupun Carleman sama-sama barisan bertipe harmonik yang tepat gagal berada di ruangnya.)
  3. (Seberapa lambat “tajam” itu didekati?) Ambil p=2p = 2. Untuk f=1[0,1]f = \mathbf 1_{\intcc01}, hitunglah Hf2/f2=2\norm{Hf}_2/\norm f_2 = \sqrt2, terhadap batasnya 22. Sedangkan untuk pengoptimal hampiran fAf_A pada pertanyaan 5, buktikan identitas persisnya

    HfA22=4lnA8+8A,sehinggaHfA22fA22=488A1/2lnA.\norm{Hf_A}_2^2 = 4\ln A - 8 + \frac{8}{\sqrt A}, \qquad\text{sehingga}\qquad \frac{\norm{Hf_A}_2^2}{\norm{f_A}_2^2} = 4 - \frac{8 - 8A^{-1/2}}{\ln A} .

    Nilaikanlah di A=e10A = \eu^{10} (dengan nisbah 1.790\approx 1.790) lalu berkomentarlah: sebab supremumnya 22 didekati dengan laju 1/lnA1/\ln A saja — jadi sebuah konstanta optimal dapat hampir tak terlihat secara numerik.

Solusi

Solusi Soal 12.1.

1. Fungsi ff berpendukung di suatu [α,β](0,)[\alpha, \beta] \subseteq \intoo0\infty, sehingga F=0F = 0 pada [0,α][0, \alpha] dan FF(β)F \equiv F(\beta) pada [β,)[\beta, \infty): jadi HfHf lenyap di dekat 00 dan bernilai O(1/x)O(1/x) di tak hingga; sedangkan 1xp ⁣dx<\int_1^\infty x^{-p}\dd x < \infty untuk p>1p > 1, dan HfHf kontinu: sehingga HfLpHf \in L^p.

2. Berlaku (x1pF(x)p)=(1p)xpFp+px1pFp1f\bigl(x^{1-p}F(x)^p\bigr)' = (1-p)x^{-p}F^p + p\,x^{1-p}F^{p-1}f. Kedua nilai batasnya lenyap: di 00 karena F=0F = 0 di dekat 00; dan di \infty karena x1pFpF(β)px1p0x^{1-p}F^p \leq F(\beta)^p x^{1-p} \to 0 (sebab p>1p > 1). Lalu dengan mengintegralkan identitasnya atas (0,)\intoo0\infty:

0=(1p)0(Fx)p ⁣dx+p0(Fx)p1f(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,

yang merupakan hubungan yang ditampilkan itu.

3. Hölder dengan eksponen q=pp1q = \frac p{p-1} dan pp:

(Fx)p1f((Fx)p)11/pfp,\int\Bigl(\frac Fx\Bigr)^{p-1}f \leq \Bigl(\int\Bigl(\frac Fx\Bigr)^{p}\Bigr)^{1 - 1/p}\,\norm f_p ,

sehingga Hfpppp1Hfpp1fp\norm{Hf}_p^p \leq \frac p{p-1}\norm{Hf}_p^{p-1}\norm f_p; lalu bagilah (yang berhingga menurut pertanyaan 1, dan jika 00 maka tak ada yang perlu dibuktikan).

4. Misalkan fLpf \in L^p dengan f0f \geq 0. Pilihlah φkCc((0,))\varphi_k \in \mathcal C_c(\intoo0\infty) dengan φkf\varphi_k \to f di LpL^p (Teorema 12.6(2), yang diiriskan dengan setengah garis terbukanya — hampirilah f1[1/k,k]f\mathbf 1_{[1/k, k]} lalu diagonalkan), lalu gantilah φk\varphi_k dengan φk\abs{\varphi_k} (yang tetap kontinu, dan lebih dekat ke f0f \geq 0). Untuk setiap x>0x > 0 yang tetap, Hölder pada (0,x)\intoo0x memberikan

Hφk(x)Hf(x)1xx11/pφkfp0:\abs{H\varphi_k(x) - Hf(x)} \leq \frac1x\,x^{1 - 1/p}\,\norm{\varphi_k - f}_p \to 0 :

sehingga HφkHfH\varphi_k \to Hf secara titik demi titik. Lalu Fatou dan pertanyaan 3:

(Hf)plim infk(Hφk)p(pp1)plim infkφkpp=(pp1)pfpp.\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 .

Sedangkan untuk ff yang bertanda atau kompleks: HfHf\abs{Hf} \leq H\abs f secara titik demi titik, dan kasus tak negatifnya berlaku bagi f\abs f.

5. Berlaku fApp=1At1 ⁣dt=lnA\norm{f_A}_p^p = \int_1^A t^{-1}\dd t = \ln A. Untuk 1xA1 \leq x \leq A:

(HfA)(x)=1x1xt1/p ⁣dt=x11/p1(11p)x=pp1x1/p(1x(11/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. Tetapkan ε>0\varepsilon > 0 dan X0X_0 dengan (1x(11/p))p1ε(1 - x^{-(1-1/p)})^p \geq 1 - \varepsilon untuk xX0x \geq X_0. Maka

HfAppX0A(pp1)p1εx ⁣dx=(pp1)p(1ε)(lnAlnX0),\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),

sehingga HfAppfApp(pp1)p(1ε)(1lnX0lnA)(pp1)p(1ε)\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) saat AA \to \infty: jadi konstantanya tak dapat diperbaiki.

7. Kesamaan pada pertanyaan 3 memaksa kesamaan pada Hölder: yakni fpf^p sebanding dengan (Fx)(p1)q=(Fx)p\bigl(\frac Fx\bigr)^{(p-1)q} = \bigl(\frac Fx\bigr)^p hampir di mana-mana, yakni f=γFxf = \gamma\,\frac Fx hampir di mana-mana untuk suatu γ0\gamma \geq 0. Karena F(x)=0xfF(x) = \int_0^xf kontinu mutlak dengan F=fF' = f hampir di mana-mana, maka FF memenuhi F=γF/xF' = \gamma F/x: sehingga pada sembarang selang yang F>0F > 0-nya, (lnF)=γ/x(\ln F)' = \gamma/x, jadi F=cxγF = c\,x^{\gamma} dan f=cγxγ1f = c\gamma x^{\gamma - 1} di sana. Padahal tak ada pangkat tak nol xγ1x^{\gamma-1} yang termasuk Lp((0,))L^p(\intoo0\infty) (sebab p(γ1)<1p(\gamma - 1) < -1 dituntut di \infty dan >1> -1 di 00: tak serasi), dan FF tak dapat lenyap secara identik kecuali f=0f = 0. Jadi kesamaannya menuntut f=0f = 0.

8. Diberikan (an)(a_n) tak naik dengan 0\geq 0, definisikan fungsi tangga g(t)=atg(t) = a_{\lceil t\rceil} pada (0,+)\intoo0{+\infty}: yang tak naik, dengan 0gp=nanp\int_0^\infty g^p = \sum_na_n^p dan 0ng=a1++an\int_0^ng = a_1 + \dots + a_n, sehingga (Hg)(n)=a1++ann(Hg)(n) = \frac{a_1 + \dots + a_n}n. Rata-rata sebuah fungsi tak naik tetap tak naik, sehingga HgHg demikian, dan

n1(a1++ann)p=n1(Hg)(n)pn1n1n(Hg)(t)p ⁣dt=Hgpp(pp1)pnanp\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

menurut Bagian I. Sedangkan untuk barisan tak negatif yang umum, misalkan (an)(a_n^*) penyusunan ulangnya yang tak naik (yang mungkin bila an0a_n \to 0, yang boleh kita andaikan — sebab jika tidak kedua ruasnya tak berhingga): maka ruas kanannya tak berubah, dan setiap jumlah parsial a1++ana_1 + \dots + a_n paling banyak a1++ana_1^* + \dots + a_n^* (yakni nn suku terbesarnya): sehingga ruas kirinya hanya bertambah. Karena itu ketaksamaannya berlaku bagi setiap (an)(a_n).

9. Jika (an)p(a_n) \in \ell^p, maka barisan rata-rata Cesàro berada di p\ell^p dengan norma pp1ap\leq \frac p{p-1}\norm a_p. Contohnya (p=2p = 2): an=1nlnna_n = \frac1{\sqrt n\,\ln n} (untuk n2n \geq 2): sebab an2=1nln2n<\sum a_n^2 = \sum\frac1{n\ln^2n} < \infty, padahal an=\sum a_n = \infty (lewat uji integralnya); dan Hardy tetap menjamin n(a1++ann)2<\sum_n\bigl(\frac{a_1 + \dots + a_n}n\bigr)^2 < \infty.

10. Untuk f=1[0,1]f = \mathbf 1_{\intcc01}: Hf(x)=1Hf(x) = 1 pada (0,1]\intoc01 dan =1x= \frac1x untuk x1x \geq 1: sehingga 0Hf=1+1 ⁣dxx=\int_0^\infty Hf = 1 + \int_1^\infty\frac{\dd x}x = \infty, padahal f1=1\norm f_1 = 1. Buktinya runtuh di dua tempat: sebab konstanta pp1\frac p{p-1} meledak saat p1p \to 1, dan suku batasnya x1pFpx^{1-p}F^p tak lagi lenyap di tak hingga bila p=1p = 1. Jadi ketaksamaan Hardy sungguh gejala p>1p > 1.

11. Pilihlah selang terpanjang Bi1B_{i_1}; buanglah setiap selang yang memotongnya; pilih penyintas terpanjang Bi2B_{i_2}; lalu iterasikan (sebab selangnya berhingga banyak). Yang terpilih saling lepas menurut konstruksinya, dan setiap BB yang terbuang memotong sebuah selang terpilih yang setidaknya sepanjang itu: dan selang yang memotong selang yang lebih panjang atau sama termuat di lipat tiganya, yakni B3BilB \subseteq 3B_{i_l}.

12. Himpunan {Mf>t}\{Mf > t\} terbuka: sebab setiap rata-rata x12rxrx+rfx \mapsto \frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}\abs f kontinu (lewat kekonvergenan terdominasi terhadap xx), dan supremum fungsi kontinu bersifat semikontinu bawah. Lalu setiap xx di dalamnya memiliki Bx=(xrx,x+rx)B_x = \intoo{x-r_x}{x+r_x} dengan Bxf>tλ(Bx)\int_{B_x}\abs f > t\,\lambda(B_x). Untuk kompak K{Mf>t}K \subseteq \{Mf > t\}: berhingga banyak BxB_x menyelimuti KK, lalu Vitali (pertanyaan 11) memetik B1,,BkB_1', \dots, B_k' yang saling lepas dengan Kl3BlK \subseteq \bigcup_l3B_l', sehingga

λ(K)3lλ(Bl)<3tlBlf3tf1\lambda(K) \leq 3\sum_l\lambda(B_l') < \frac3t\sum_l\int_{B_l'}\abs f \leq \frac3t\,\norm f_1

lewat kelepasannya; lalu keteraturan dalamnya (Teorema 9.13) menuntaskannya.

13. Untuk x>1x > 1: dengan r[x1,x]r \in \intcc{x-1}x rata-ratanya adalah rx+12r\frac{r - x + 1}{2r}, yang naik terhadap rr; sedangkan untuk rxr \geq x ia 12r\frac1{2r}, yang turun: jadi supremumnya 12x\frac1{2x}, yang tercapai di r=xr = x. Sehingga M1[0,1]L1M\mathbf 1_{\intcc01} \notin L^1. Secara umum, jika If=c>0\int_I\abs f = c > 0 pada sebuah selang terbatas I[C,C]I \subseteq \intcc{-C}C, maka Mf(x)c2(x+C)Mf(x) \geq \frac{c}{2(\abs x + C)} untuk setiap xx: jadi tak pernah terintegralkan kecuali f=0f = 0 hampir di mana-mana.

14. Dengan ft=f1f>t/2f_t = f\,\mathbf 1_{\abs f > t/2}: M(fft)t2M(f - f_t) \leq \frac t2, sehingga {Mf>t}{Mft>t2}\{Mf > t\} \subseteq \{Mf_t > \frac t2\} dan pertanyaan 12 memberikan λ(Mf>t)6tf>t/2f\lambda(Mf > t) \leq \frac6t\int_{\abs f > t/2}\abs f. Lalu kue berlapis (Proposisi 11.8) dan Tonelli:

Mfpp=p0tp1λ(Mf>t) ⁣dt6pf02ftp2 ⁣dt ⁣dλ=6p2p1p1fpp.\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. Tulis Arf(x)=12rxrx+rfA_rf(x) = \frac1{2r}\int_{x-r}^{x+r}f. Untuk gg yang kontinu: Arg(x)g(x)A_rg(x) \to g(x) di mana-mana. Diberikan ε>0\varepsilon > 0, pecahlah f=g+hf = g + h dengan gg kontinu berpendukung kompak dan h1<ε\norm h_1 < \varepsilon (Teorema 12.6); maka

lim supr0Arf(x)f(x)Mh(x)+h(x),\limsup_{r\to0}\,\abs{A_rf(x) - f(x)} \leq Mh(x) + \abs{h(x)},

sehingga Ωδ={lim suprArff>δ}{Mh>δ2}{h>δ2}\Omega_\delta = \{\limsup_r\abs{A_rf - f} > \delta\} \subseteq \{Mh > \tfrac\delta2\} \cup \{\abs h > \tfrac\delta2\} berukuran 6εδ+2εδ\leq \frac{6\varepsilon}\delta + \frac{2\varepsilon}\delta (lewat pertanyaan 12; dan Markov). Karena ε\varepsilon sembarang: λ(Ωδ)=0\lambda(\Omega_\delta) = 0; lalu gabungkan atas δ=1k\delta = \frac1k: sehingga ArffA_rf \to f hampir di mana-mana.

16. (a) Untuk setiap qQq \in \Q, pertanyaan 15 yang diterapkan pada fq\abs{f - q} memberikan Arfq(x)f(x)qA_r\abs{f - q}(x) \to \abs{f(x) - q} hampir di mana-mana; lalu pada irisan himpunan berukuran penuh itu, pilihlah qq dengan f(x)q<η\abs{f(x) - q} < \eta: maka lim suprArff(x)(x)2η\limsup_rA_r\abs{f - f(x)}(x) \leq 2\eta untuk setiap η\eta: sehingga hampir setiap xx merupakan titik Lebesgue. (b) Pada sebuah titik Lebesgue,

F(x+h)F(x)hf(x)=1hxx+h(ff(x))2Ahff(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 :

sehingga F=fF' = f hampir di mana-mana — jadi antiturunan fungsi L1L^1 sungguh dapat diturunkan kembali; sedangkan tangganya (Soal 9.1) merupakan contoh penyangkal bagi arah sebaliknya saja.

17. Terapkan pertanyaan 15 pada 1A[n,n]\mathbf 1_{A\cap[-n,n]} lalu biarkan nn tumbuh: maka untuk hampir setiap xAx \in A kepadatannya λ(A[xr,x+r])2r1\frac{\lambda(A\cap\intcc{x-r}{x+r})}{2r} \to 1. Untuk Steinhaus: di sekitar sebuah titik kepadatan ambillah rr yang berkepadatan >34> \frac34; lalu untuk t<r2\abs t < \frac r2, AA dan A+tA + t masing-masing mengisi lebih dari 32r\frac32r sebuah selang berpanjang 52r\leq \frac52r, sehingga keduanya berpotongan: jadi (r/2,r/2)AA\intoo{-r/2}{r/2} \subseteq A - A.

18. Misalkan G(x)=xα+1pF(x)pG(x) = x^{\alpha+1-p}F(x)^p: maka GG lenyap di 00 (sebab FF lenyap di dekat 00) dan di \infty (sebab FF terbatas dan α+1p<0\alpha + 1 - p < 0), sehingga 0G=0\int_0^\infty G' = 0 dengan

G=(α+1p)xαpFp+pxα+1pFp1f=(α+1p)(Fx)pxα+p(Fx)p1fxα.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 .

Karena itu (F/x)pxα=pp1α(F/x)p1fxα\int(F/x)^px^\alpha = \frac{p}{p-1-\alpha} \int(F/x)^{p-1}f\,x^\alpha; lalu Hölder untuk ukuran xα ⁣dxx^\alpha\dd x (dengan eksponen pp1\frac p{p-1} dan pp) menyelesaikannya seperti pada pertanyaan 3. Untuk perbatasan α=p1\alpha = p - 1: dengan f(t)=1t1[1,A]f(t) = \frac1t\mathbf 1_{\intcc1A}, ruas kanannya adalah lnA\ln A sedangkan ruas kirinya memuat 1A(lnx)px ⁣dx=(lnA)p+1p+1\int_1^A\frac{(\ln x)^p}x\dd x = \frac{(\ln A)^{p+1}}{p+1}: sehingga tak ada konstanta yang selamat saat AA \to \infty.

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

Hf,g=0g(x)x0xf(t) ⁣dt ⁣dx=0f(t)tg(x)x ⁣dx ⁣dt=f,Hg.\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 .

Untuk dualitasnya: Hfp=sup{f,Hg:g0,gq1}fpsupHgqqq1fp=pfp\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, sebab Hardy dipanggil di LqL^q, yang konstantanya qq1\frac q{q-1} sama dengan pp.

20. Pisahkan sepanjang diagonalnya (yang nol). Pada {yx}\{y \leq x\}:

yxf(x)g(y)x ⁣dy ⁣dx=f(x)(Hg)(x) ⁣dxfpHgqpfpgq,\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,

sebab Hardy di LqL^q membawa konstanta qq1=p\frac q{q-1} = p. Setangkup dengan itu, y>x=g(Hf)gqHfpqfpgq\iint_{y>x} = \int g\,(Hf) \leq \norm g_q\norm{Hf}_p \leq q\,\norm f_p\norm g_q (sebab pp1=q\frac p{p-1} = q). Totalnya: (p+q)fpgq(p + q)\,\norm f_p\norm g_q.

21. Untuk an=n1/pa_n = n^{-1/p} dengan nNn \leq N: ruas kanannya adalah (pp1)pnN1n=(pp1)plnN+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). Sedangkan di kirinya, untuk nNn \leq N: a1++an1n+1t1/p ⁣dt=pp1((n+1)11/p1)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), sehingga rata-rata Cesàro ke-nn bernilai pp1n1/p(1o(1))\geq \frac p{p-1}n^{-1/p}(1 - o(1)) secara seragam untuk nn pada sembarang rentang nn0(η)n \geq n_0(\eta); lalu dengan memangkatkannya ke pp dan menjumlahkannya, ruas kirinya (pp1)p(1η)lnN+Oη(1)\geq \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p(1 - \eta)\ln N + O_\eta(1). Lalu dengan membaginya dan membiarkan NN \to \infty, lalu η0\eta \to 0: tak ada konstanta yang lebih kecil daripada (pp1)p\bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p yang dapat bekerja.

22. Keterbatasan HH pada LpL^p: rata-rata kumulatifnya tak menggelembungkan norma-pp (dengan konstanta pp1\frac p{p-1}); untuk Cesàro pada p\ell^p: hal yang sama, terdiskretkan; sedangkan keterbatasan MM pada LpL^p: bahkan rata-rata lokal terbaiknya tetap terkendali (dengan konstanta O(1p1)O(\frac1{p-1})). Ketiganya gagal di p=1p = 1, dan karena satu alasan: sebab merata-ratakan satu satuan massa yang terpusat menghasilkan ekor 1x\frac1x (lihat pertanyaan 10 dan 13), dan 1x\frac1x termasuk setiap LpL^p di dekat tak hingga kecuali L1L^1. Jadi pemulusan menyebarkan massanya tepat sampai perbatasan harmonik keterintegralannya.

23. Tetapkan bn=an1/pb_n = a_n^{1/p}, sehingga bnp=an\sum b_n^p = \sum a_n. Lalu pertanyaan 8 memberikan

n1(b1++bnn)p(pp1)pn1an,\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,

dan rata-rata hitung–ukur membatasi setiap sukunya dari bawah:

(b1++bnn)p(b1bn)p/n=(a1an)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}.

Karena itu (a1an)1/n(pp1)pan\sum(a_1\cdots a_n)^{1/n} \leq \bigl(\frac p{p-1}\bigr)^p\sum a_n untuk setiap p>1p > 1. Dengan m=p1m = p - 1,

(pp1)p=(1+1m)m+1,\Bigl(\frac p{p-1}\Bigr)^{p} = \Bigl(1 + \frac1m\Bigr)^{m+1},

yang turun menuju e\eu saat mm \to \infty (yakni barisan atas monoton klasik bagi e\eu). Lalu mengambil infimumnya atas pp memberikan ketaksamaan Carleman berkonstanta e\eu.

24. Untuk an=1na_n = \frac1n, (a1an)1/n=(n!)1/n(a_1\cdots a_n)^{1/n} = (n!)^{-1/n}. Pengapitan Soal 11.1 memberikan 2πn(n/e)nn!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)}, sehingga

(n!)1/n=ne(2πn)1/(2n)eO(1/n2)=ne(1+O(lnnn)),(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),

sebab (2πn)1/(2n)=exp(ln(2πn)2n)(2\pi n)^{1/(2n)} = \exp\bigl(\frac{\ln(2\pi n)}{2n}\bigr). Dengan membalikkannya, (n!)1/n=en(1+O(lnnn))(n!)^{-1/n} = \frac\eu n(1 + O(\frac{\ln n}n)), lalu menjumlahkannya atas nNn \leq N:

nN(n!)1/n=elnN+O(1),enN1n=elnN+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)

(sebab deret galatnya lnnn2\sum\frac{\ln n}{n^2} konvergen). Sebuah ketaksamaan Carleman berkonstanta cc akan memaksa elnN+O(1)c(lnN+O(1))\eu\ln N + O(1) \leq c\,(\ln N + O(1)), sehingga cec \geq \eu setelah dibagi lnN\ln N. Barisan pengoptimalnya sejajar: sebab konstanta Hardy didekati oleh n1/pn^{-1/p} (pertanyaan 21), dan konstanta Carleman oleh n1n^{-1} — dalam setiap kasusnya barisan bertipe harmonik yang duduk tepat di luar ruang yang dirata-ratakan.

25. Untuk f=1[0,1]f = \mathbf 1_{\intcc01}: Hf(x)=1Hf(x) = 1 pada (0,1]\intoc01 dan Hf(x)=1xHf(x) = \frac1x untuk x>1x > 1, sehingga Hf22=1+1x2 ⁣dx=2\norm{Hf}_2^2 = 1 + \int_1^\infty x^{-2}\dd x = 2 dan nisbahnya 21.414\sqrt2 \approx 1.414, yakni sekitar 71%71\% batas tajamnya. Sedangkan untuk fAf_A (dengan p=2p = 2): F(x)=2(x1)F(x) = 2(\sqrt x - 1) pada [1,A]\intcc1A, sehingga pada rentang itu HfA=2x1/22x1Hf_A = 2x^{-1/2} - 2x^{-1} dan, untuk x>Ax > A, HfA(x)=2(A1)/xHf_A(x) = 2(\sqrt A - 1)/x. Lalu dengan mengkuadratkan dan mengintegralkannya,

1A(2x1/22x1)2 ⁣dx=4lnA12+16A4A,A4(A1)2x2 ⁣dx=48A+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*}

sehingga HfA22=4lnA8+8A1/2\norm{Hf_A}_2^2 = 4\ln A - 8 + 8A^{-1/2}; lalu dibagi fA22=lnA\norm{f_A}_2^2 = \ln A diperolehlah identitas yang dinyatakan itu. Di A=e10A = \eu^{10}: 48(1e5)10=3.20544 - \frac{8(1 - \eu^{-5})}{10} = 3.2054, sehingga nisbahnya 3.20541.790<2\sqrt{3.2054} \approx 1.790 < 2. Sedangkan cacatnya 4HfA22/fA228/lnA4 - \norm{Hf_A}_2^2/\norm{f_A}_2^2 \sim 8/\ln A meluruh hanya secara logaritmik: sehingga untuk mencapai nisbah 1.991.99 orang memerlukan lnA200\ln A \approx 200, yakni A1087A \approx 10^{87}. Jadi konstanta tajam adalah teorema, bukan percobaan.

Istilah yang didefinisikan dalam bab ini

Lihat semua 395 istilah di glosarium