(1) 叙述并证明Holder不等式;
(2) 叙述并证明Schwarz不等式;
(3) 叙述并证明Minkowski不等式.
解 (1)
(Ho¨lder 不等式) 设 f(x),g(x) 在 [a,b] 上连续, p,q 为满足 p1+q1=1 的
正数, 证明
∫ab∣f(x)g(x)∣dx⩽(∫ab∣f(x)∣p dx)p1(∫ab∣g(x)∣q dx)q1.
证 a. 当 f(x)≡0 或 g(x)≡0 时,上式显然成立.
b. 否则的话, 令
φ(x)=(∫ab∣f(x)∣p dx)p1∣f(x)∣,ψ(x)=(∫ab∣g(x)∣q dx)q1∣g(x)∣,x∈[a,b]
( ∫ab∣f(x)∣′dx 和 ∫ab∣g(x)∣′dx 均大于零), 得到
φ(x)ψ(x)⩽p1φ(x)p+q1ψ(x)q,
即
(∫ab∣f(x)∣p dx)p1(∫ab∣g(x)∣q dx)q1∣f(x)g(x)∣⩽p∫ab∣f(x)∣pdx∣f(x)∣p+q∫ab∣g(x)∣qdx∣g(x)∣q,x∈[a,b].
对上式两边在 [a,b] 上求积分, 利用定积分的性质得
⩽(∫ab∣f(x)∣p dx)p1(∫ab∣g(x)∣q dx)q11∫ab∣f(x)g(x)∣dxp∫ab∣f(x)∣p dx∫ab∣f(x)∣p dx+q∫ab∣f(x)∣q dx∫ab∣g(x)∣q dx=p1+q1=1.
在不等式两边同乘以 (∫ab∣f(x)∣pdx)p1(∫ab∣g(x)∣q dx)q1, 即得
∫ab∣f(x)g(x)∣dx⩽(∫ab∣f(x)∣p dx)p1(∫ab∣g(x)∣q dx)q1.
(2) (Schwarz 不等式) [∫abf(x)g(x)dx]2⩽∫abf2(x)dx⋅∫abg2(x)dx ;
证 由于对任意的 t, 积分 ∫ab[tf(x)+g(x)]2 dx⩾0, 即
t2∫abf2(x)dx+2t∫abf(x)g(x)dx+∫abg2(x)dx⩾0,
所以其判别式恒为非正的, 也就是成立
[∫abf(x)g(x)dx]2⩽∫abf2(x)dx⋅∫abg2(x)dx.
(3) (Minkowski 不等式)
{∫ab[f(x)+g(x)]2 dx}21⩽{∫abf2(x)dx}21+{∫abg2(x)dx}21.
证
由 ∫abf(x)g(x)dx⩽{∫abf2(x)dx}21{∫abg2(x)dx}21, 得到 ∫abf2(x)dx+2∫abf(x)g(x)dx+∫abg2(x)dx⩽∫abf2(x)dx+2{∫abf2(x)dx}21{∫abg2(x)dx}21+∫abg2(x)dx,
即
∫ab[f(x)+g(x)]2 dx⩽⎣⎢⎡{∫abf2(x)dx}21+{∫abg2(x)dx}21⎦⎥⎤2,
两边开平方,即得到
{∫ab[f(x)+g(x)]2 dx}21⩽{∫abf2(x)dx}21+{∫abg2(x)dx}21.