双対性議論(duality argument)について

$p\in[1,\infty)$ に対して， $p'=\bra{1-\frac{1}{p}}^{-1}$ で $p'\in(1,\infty]$ を定める(すなわち， $p$ と $p'$ はHölder共役)．

このとき， $L^{p}$ の共役空間(双対空間) $(L^{p})^{*}$ が $L^{p'}$ と同型であることはよく知られているが，この事実を示すことは簡単ではない．

しかし，この双対的な議論をするとき， $(L^{p})^{*}\cong L^{p'}$ まで用いる必要はなく，任意の $v\in L^{p'}(\Omega)$ に対して，

$\begin{align*} \|v\|_{L^{p'}(\Omega)} =\sup_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\abs{\int_{\Omega}u(x)v(x)\,dx} \end{align*}$

が成り立つことを用いれば十分なことも多い．

この記事では，この等式に関する証明を行う．

なお， $\Omega\subset\R^N$ に対して， $I_{\Omega}$ を $\Omega\subset\R^N$ 上の定義関数とする．

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1 準備
2 Lp空間の双対性議論
- 2.1 Case.1
- 2.2 Case.2
3 LpLq空間の双対性議論

準備

まずは，「Hölder共役」を定義する．

[定義1]　 $p\in[1,\infty]$ に対して，

$\begin{align*} \frac{1}{p'}+\frac{1}{p}=1 \iff p'=\bra{1-\frac{1}{p}}^{-1} \end{align*}$

で定まる $p'\in[1,\infty]$ を $p$ のHölder共役という．ただし， $p=1$ のときは $p'=\infty$ とみなし， $p=\infty$ のときは $p'=1$ とみなす．

次に $L^{p}L^{q}$ 空間を定義する．

[定義2]　 $i=1,2$ に対して， $\Omega_i\subset\R^{N_i}$ を開集合， $p_i\in[1,\infty]$ とする．このとき， $L^{p_1}(\Omega_1,L^{p_2}(\Omega_2))$ は， $\Omega_1\times\Omega_2$ を定義域とし， $\Omega_1$ 上ほとんど至るところで $L^{p_2}(\Omega_2)$ に値をとる $L^{p_1}$ 空間である：

$\begin{align*} &L^{p_1}(\Omega_1,L^{p_2}(\Omega_2)) :=\set{u:\Omega_1\times\Omega_2\to\C} {\|u\|_{L^{p_1}(\Omega_1,L^{p_2}(\Omega_2))}<\infty}, \\&\|u\|_{L^{p_1}(\Omega_1,L^{p_2}(\Omega_2))} :=\bra{\int_{\Omega_1}\|u(x_1,\cdot)\|_{L^{p_2}(\Omega_2)}^{p_1}\,dx_1}^{1/p_1} \end{align*}$

この $L^{p}L^{q}$ 空間は，例えば発展方程式で空間 $\R^N$ に関して $L_{x}^{p}$ ，時間 $\R$ に関して $L_{t}^{q}$ である場合などに用いる．

この定義は冒頭で述べた双対性の証明には用いないので，ひとまず飛ばして読んでも問題はない．

L^p空間の双対性議論

冒頭で述べた双対性を証明する．

[定理3]　 $\Omega\subset\R^N$ を開集合とする． $p\in[1,\infty)$ とし， $p'\in(1,\infty]$ を $p$ のHölder共役とする．このとき，任意の $v\in L^{p'}(\Omega)$ に対して，

$\begin{align*} \|v\|_{L^{p'}(\Omega)} =\sup_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\abs{\int_{\Omega}u(x)v(x)\,dx} \end{align*}$

が成り立つ．

[証明]

Hölderの不等式より，任意の $v\in L^{p'}(\Omega)$ に対して，

$\begin{align*} \sup_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\abs{\int_{\Omega}u(x)v(x)\,dx} \le\sup_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\|u\|_{p}\|v\|_{p'} =\|v\|_{p'} \end{align*}$

だから，あとは

$\begin{align*} \sup_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\abs{\int_{\Omega}u(x)v(x)\,dx} \ge\|v\|_{p'} \end{align*}$

を示せば題意が従う．これを

$p=1$ のとき
$p\in(1,\infty)$ のとき

に分けて示す．

Case.1

$p=1$ のとき， $p'=\infty$ である．

任意の $\epsilon>0$ に対して，ある可測集合 $\Omega'\subset\Omega$ で $0<|\Omega'|<\infty$ を満たすものが存在して，

$\begin{align*} x\in\Omega'\Ra|v(x)|>\|v\|_{\infty}-\epsilon \end{align*}$

が成り立つ．このとき， $w:\Omega\to\C$ を

$\begin{align*} w(x):=\frac{\overline{v(x)}}{|\Omega'||v(x)|}I_{\Omega'}(x) \end{align*}$

で定めると，

$\begin{align*} \int_{\Omega}|w(x)|\,dx =\frac{1}{|\Omega'|}\int_{\Omega'}\,dx=1 \end{align*}$

すなわち $\|w\|_{p}=1$ だから，

$\begin{align*} &\sup_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\abs{\int_{\Omega}u(x)v(x)\,dx} \\\ge&\abs{\int_{\Omega}w(x)v(x)\,dx} =\abs{\frac{1}{|\Omega'|}\int_{\Omega'}\frac{\overline{v(x)}v(x)}{|v(x)|}\,dx} \\=&\frac{1}{|\Omega'|}\int_{\Omega'}|v(x)|\,dx >\frac{1}{|\Omega'|}\int_{\Omega'}(\|v\|_{\infty}-\epsilon)\,dx \\=&\|v\|_{\infty}-\epsilon \end{align*}$

となって， $\sup\limits_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\abs{\int_{\Omega}u(x)v(x)\,dx}\ge\|v\|_{\infty}$ が従う．

Case.2

$p\in(1,\infty)$ のとき， $p'\in(1,\infty)$ である．

$\theta_{x}:=\arg v(x)$ とし， $w:\Omega\to\C$ を $w(x):=\dfrac{|v(x)|^{p'-1}}{\|v\|_{p'}^{p'/p}}e^{-i\theta_{x}}$ で定める．このとき，

$\begin{align*} \bra{\int_{\Omega}|w(x)|^{p}\,dx}^{1/p} =&\frac{1}{\|v\|_{p'}^{p'/p}}\bra{\int_{\Omega}|v(x)|^{p(p'-1)}\,dx}^{1/p} \\=&\frac{1}{\|v\|_{p'}^{p'/p}}\bra{\int_{\Omega}|v(x)|^{p'}\,dx}^{1/p} =1 \end{align*}$

だから， $\|w\|_{p}=1$ に注意すれば，

$\begin{align*} &\sup_{\|u\|_{L^{p}(\Omega)}=1}\abs{\int_{\Omega}u(x)v(x)\,dx} \\\ge&\abs{\int_{\Omega}w(x)v(x)\,dx} =\abs{\frac{1}{\|v\|_{p'}^{p'/p}}\int_{\Omega}|v(x)|^{p'-1}e^{-i\theta_{x}}|v(x)|e^{i\theta_{x}}\,dx} \\=&\frac{1}{\|v\|_{p'}^{p'/p}}\int_{\Omega}|v(x)|^{p'}\,dx =\|v\|_{p'}^{p'-\frac{p'}{p}} =\|v\|_{p'} \end{align*}$

が従う．

[証明終]

L^pL^q空間の双対性議論

次に， $L^{p}L^{q}$ 空間に関する双対性を示す．

[定理4]　 $i=1,2$ に対して， $\Omega_i\subset\R^{N_i}$ を開集合とする． $p_i\in[1,\infty)$ とし， $p'_i\in(1,\infty]$ を $p_i$ のHölder共役とする．このとき，任意の $v\in L^{p'_1}(\Omega_1,L^{p'_2}(\Omega_2))$ に対して，

$\begin{align*} \|v\|_{L^{p'_1}(\Omega_1,L^{p'_2}(\Omega_2))} =\sup_{\|u\|_{L^{p_1}\bra{\Omega_1,L^{p_2}(\Omega_2)}}=1} \abs{\int_{\Omega_1}\int_{\Omega_2} u(x_1,x_2)v(x_1,x_2)\,dx_2dx_1} \end{align*}$

が成り立つ．

[証明]

$x:=(x_1,x_2)$ , $X:=L^{p'_1}(\Omega_1,L^{p'_2}(\Omega_2))$ , $Y:=L^{p_1}(\Omega_1,L^{p_2}(\Omega_2))$ とする．Hölderの不等式より，任意の $v\in X$ に対して，

$\begin{align*} &\sup_{\|u\|_{Y}=1}\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\\le&\sup_{\|u\|_{Y}=1}\int_{\Omega_1}\abs{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}dx_1 \\\le&\sup_{\|u\|_{Y}=1}\int_{\Omega_1}\|u(x_1,\cdot)\|_{p_1}\|v(x_1,\cdot)\|_{p'_1}\,dx_1 \\\le&\sup_{\|u\|_{Y}=1}\|u\|_{Y}\|v\|_{X} =\|v\|_{X} \end{align*}$

だから，あとは

$\begin{align*} \sup_{\|u\|_{Y}=1}\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \ge\|v\|_{X} \end{align*}$

を示せば題意が従う．これを

$p_1=p_2=1$ のとき
$p_1=1$ , $p_2\in(1,\infty)$ のとき
$p_1,p_2\in(1,\infty)$ のとき

に分けて証明する．

Case.1

$p_1=p_2=1$ のとき， $p'_1=p'_2=\infty$ である．

任意の $\epsilon>0$ , $i\in\{1,2\}$ に対して，ある可測集合 $\Omega'_i\subset\Omega$ で $0<|\Omega'_i|<\infty$ を満たすものが存在して， $x\in\Omega'_1\times\Omega_2$ が成り立つなら

$\begin{align*} |v(x)|>\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{\infty}(\Omega_2)}-\epsilon >\|v\|_{X}-2\epsilon \end{align*}$

が成り立つ．このとき， $w:\Omega_1\times\Omega_2\to\C$ を

$\begin{align*} w(x):=\frac{\overline{v(x)}}{|\Omega'_1||\Omega'_2|v(x)}I_{\Omega'_1\times\Omega'_2}(x) \end{align*}$

で定めると，

$\begin{align*} \int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}|w(x)|\,dx_2}\,dx_1 =\frac{1}{|\Omega'_1||\Omega'_2|}\int_{\Omega'_1}\bra{\int_{\Omega'_2}\,dx_2}\,dx_1 =1 \end{align*}$

すなわち $\|w\|_{Y}=1$ だから，

$\begin{align*} &\sup_{\|u\|_{Y}=1}\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\\ge&\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}w(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\=&\abs{\frac{1}{|\Omega'_1||\Omega'_2|}\int_{\Omega'_1}\bra{\int_{\Omega'_2}\frac{\overline{v(x)}v(x)}{v(x)}\,dx_2}\,dx_1} \\=&\frac{1}{|\Omega'_1||\Omega'_2|}\int_{\Omega'_1}\bra{\int_{\Omega'_2}|v(x)|\,dx_2}\,dx_1 \\>&\frac{1}{|\Omega'_1||\Omega'_2|}\int_{\Omega'_1}\bra{\int_{\Omega'_2}(\|v\|_{X}-\epsilon)\,dx_2}\,dx_1 \\=&\|v\|_{X}-2\epsilon \end{align*}$

だから，

$\begin{align*} \sup_{\|u\|_{Y}=1}\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1}\ge\|v\|_{X} \end{align*}$

が従う．

Case.2

$p_1=1,p_2\in(1,\infty)$ のとき， $p'_1=\infty,p'_2\in(1,\infty)$ である．

任意の $\epsilon>0$ に対して，ある可測集合 $\Omega'_1\subset\Omega_1$ で $0<|\Omega'_1|<\infty$ を満たすものが存在して， $x\in\Omega'_1\times\Omega_2$ が成り立つとき，

$\begin{align*} \|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)} >\|v\|_{X}-\epsilon \end{align*}$

が成り立つ．このとき， $\theta_{x}:=\arg v(x)$ とし， $w:\Omega_1\times\Omega_2\to\C$ を

$\begin{align*} w(x):=\frac{|v(x)|^{p'_2-1}}{|\Omega'_1| \|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_2/p_2}} e^{-i\theta_{x}}I_{\Omega'_1\times\Omega_2}(x) \end{align*}$

で定めると，

$\begin{align*} &\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}|w(x)|^{p_2}\,dx_2}^{1/p_2}\,dx_1 \\=&\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_2/p_2}} \bra{\int_{\Omega_2}|v(x_1,x_2)|^{p_2(p'_2-1)}\,dx_2}^{1/p_2}\,dx_1 \\=&\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_2/p_2}} \bra{\int_{\Omega_2}|v(x_1,x_2)|^{p'_2}\,dx_2}^{1/p_2}\,dx_1 \\=&\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}\,dx_1=1 \end{align*}$

すなわち $\|w\|_{Y}=1$ だから，

$\begin{align*} &\sup_{\|u\|_{Y}=1}\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\\ge&\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}w(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\=&\abs{\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}\bra{\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_2/p_2}} \int_{\Omega_2}|v(x_1,x_2)|^{p'_2-1}e^{-i\theta_{x}}v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\=&\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}\bra{\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_2/p_2}} \int_{\Omega_2}|v(x_1,x_2)|^{p'_2}\,dx_2}\,dx_1 \\=&\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_2-\frac{p'_2}{p_2}}\,dx_1 =\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}\,dx_1 \\>&\frac{1}{|\Omega'_1|}\int_{\Omega'_1}(\|v\|_{X}-\epsilon)\,dx_1 =\|v\|_{X}-\epsilon \end{align*}$

だから， $\sup\limits_{\|u\|_{Y}=1}\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1}\ge\|v\|_{X}$ が従う．

Case.3

$p_1,p_2\in(1,\infty)$ のとき， $p'_1,p'_2\in(1,\infty)$ である．

$\theta_{x}:=\arg v(x)$ とし， $w:\Omega_1\times\Omega_2\to\C$ を

$\begin{align*} w(x) :=\frac{|v(x)|^{p'_2-1}}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1} \|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2} (\Omega_2)}^{1-p'_1+p'_2/p_2}}e^{-i\theta_{x}} \end{align*}$

で定めると，

$\begin{align*} &\bra{\int_{\Omega_1}\abs{\int_{\Omega_2}|w(x)|^{p_2}\,dx_2}^{p_1/p_2}\,dx_1}^{1/p_2} \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\bra{\int_{\Omega'_1} \frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p_1(1-p'_1+p'_2/p_2)}} \bra{\int_{\Omega_2}|v(x)|^{p_2(p'_2-1)}\,dx_2}^{p_1/p_2}\,dx_1}^{1/p_1} \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\bra{\int_{\Omega'_1}\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2} (\Omega_2)}^{p_1(1-p'_1+p'_2/p_2)}} \bra{\int_{\Omega_2}|v(x)|^{p'_2}\,dx_2}^{p_1/p_2}\,dx_1}^{1/p_1} \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}} \bra{\int_{\Omega'_1}\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2} (\Omega_2)}^{p_1(p'_1-1)}\,dx_1}^{1/p_1} \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}} \bra{\int_{\Omega'_1}\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2} (\Omega_2)}^{p'_1}\,dx_1}^{1/p_1} =1 \end{align*}$

すなわち $\|w\|_{Y}=1$ だから，

$\begin{align*} &\sup_{\|u\|_{Y}=1}\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}u(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\\ge&\abs{\int_{\Omega_1}\bra{\int_{\Omega_2}w(x)v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\=&\abs{\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\int_{\Omega_1} \bra{\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{1-p'_1+p'_2/p_2}} \int_{\Omega_2}|v(x)|^{p'_2-1}e^{-i\theta_{x}}v(x)\,dx_2}\,dx_1} \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\int_{\Omega_1} \bra{\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{1-p'_1+p'_2/p_2}} \int_{\Omega_2}|v(x)|^{p'_2}\,dx_2}\,dx_1 \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\int_{\Omega_1} \bra{\frac{1}{\|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{1-p'_1+p'_2/p_2}} \|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_2}}\,dx_1 \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\int_{\Omega_1} \|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_1-1+p'_2(1-1/p_2)}\,dx_1 \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\int_{\Omega_1} \|v(x_1,\cdot)\|_{L^{p'_2}(\Omega_2)}^{p'_1}\,dx_1 \\=&\frac{1}{\|v\|_{X}^{p'_1/p_1}}\|v\|_{X}^{p'_1} =\|v\|_{X}^{p'_1(1-1/p_1)} =\|v\|_{X} \end{align*}$

が従う．

[証明終]

準備

Lp空間の双対性議論

Case.1

Case.2

LpLq空間の双対性議論

Case.1

Case.2

Case.3

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