[泛函分析] 幾何平均與算術平均不等式的一類推廣

回憶中學時期學過的 幾何平均與算術平均關係：令 $a,b \in \mathbb{R}$則 幾何平均 有 算術平均作為上界
\[
\sqrt{ab} \leq \frac{a+b}{2}
\]現在我們將上述結果做一類推廣

Claim: 令 $\theta \in (0,1)$ 且 $a, b \geq 0$則
\[
a^{1-\theta}b^{\theta} \leq (1-\theta)a + \theta b
\]
在給出證明之前我們先做出一些說明

Remarks:
1. 上述 claim 不等式左方：$a^{1-\theta}b^{\theta}$ 一般稱作廣義幾何平均 (Generalized Geometric Mean)。
2. 上述 claim 不等式右方：$(1-\theta)a + \theta b$ 有些學者將其稱作廣義算術平均 (Generalized Arthmic Mean)。但若有涉獵凸分析或者凸最優問題的讀者大概不難看出 此式具備 convex combinaiton 的形式。事實上此不等式在 與凸分析中的 log-convexity 有相關，讀者可自行查閱相關文獻。
3. 上述 Claim 一般又稱作 Auxiliary  Holder inequality.

以下我們給出 Claim 的證明。

Proof of the Claim: 首先做以下觀察：若 $a,b = 0$ 或任一為 $0$ 則不等式自動成立。故在不失一般性的情況下 我們設 $a \geq b >0$ 並且注意到 $a^{1-\theta} = a a^{-\theta}$ 故我們可改寫要證明的不等式如下
\begin{align*}
\left(\frac{b}{a}\right)^\theta \leq (1-\theta) + \theta \frac{b}{a}
\end{align*}
令 $x:=b/a$ 則 $x \in (0,1)$ 且我們僅需證明
\[
x^\theta \leq (1-\theta) +\theta x
\]令 $g(x):=  1-\theta +\theta x - x^\theta $，注意到 $g(1) = 0$ 且 $g(0) = 1-\theta>0$
\[
g'(x) = \theta -\theta x^{\theta-1} < \theta -\theta = 0
\]亦即 $g'(x) <0$ 表示 $g$ 為在 $x \in (0,1)$ 處為遞減函數。故由 $g$ 的連續性，對 $x \in [0,1]$ 我們有
\[
g(x) \geq 0
\]此等價為
\[
1-\theta +\theta x - x^\theta \geq 0
\]同理
\[
x^\theta \leq (1-\theta) +\theta x
\]上述即為我們待證的不等式，至此證明完畢。$\square$

[測度論] Dominated Convergence Theorem

Theorem: Dominated Convergence Theorem DCT  (real-valued functions)
令 sequence $\{f_n\} \subset L^1$ 滿足
(a) $f_n \to f$ almost everywhere
(b) 存在非負函數 $g \in L^1$ 使得 $|f_n| \leq g$ almost everywhere for all $n$
則\[
f \in L^1
\]且
\[
\lim_n \int f_n =\int f
\]
Proof:  先證 $f \in L^1$：由於 $f_n \to f$ almost everywhere  且 $f_n \in L^1$，可知 $f $ measurable (see Proposition 2.11/2.12 )。由於 $|f_n| \leq g$ almost everywhere 故 $|f| \leq g$ almost everywhere，故 $f \in L^1$。

接著我們證 $\lim_n \int f_n =\int f$：注意到 $|f_n| \leq g$ almost everywhere，故我們有
\[
-g \leq f_n \leq g \text{ almost everywhere}
\]換言之，我們有
\[
f_n + g \geq 0\text{ almost everywhere}
\]與
\[
g-f_n \geq 0 \text{almost everywhere}
\]也就是說 $\{f_n + g\}, \{g-f_n\} \in L^+$。由 Fatou Lemma 我們有
\[
\begin{gathered}
  \int {\mathop {\lim \inf }\limits_n } ({f_n} + g) \leqslant \lim \inf \int {({f_n} + g)} ; \hfill \\
  \int {\mathop {\lim \inf }\limits_n } (g - {f_n}) \leqslant \lim \inf \int {(g - {f_n})}  \hfill \\
\end{gathered} \;\;\; (*)
\]注意到上述積分不等式左方，積分項有以下結果 (利用 limsup or liminf 的性質)，我們有 $\mathop {\lim \inf }\limits_n \left( {{f_n} + g} \right) = g + \mathop {\lim \inf }\limits_n {f_n}$ 以及 $$\mathop {\lim \inf }\limits_n \left( {g - {f_n}} \right) = g + \mathop {\lim \inf }\limits_n \left( { - {f_n}} \right) = g - \mathop {\lim \sup }\limits_n {f_n}
$$同理，對於積分不等式右方，我們有
\[\lim \inf \int {({f_n} + g)}  = \lim \inf \left( {\int {{f_n} + \int g } } \right) = \lim \inf \int {{f_n} + \int g } \]與
\[\lim \inf \int {(g - {f_n})  = \int {g + \lim \inf \left( { - \int {{f_n}} } \right)}  = \int {g - \lim \sup \int {{f_n}} } } \]
將此結果帶入 $(*)$ 我們有
\begin{align*}
  &\left\{ \begin{gathered}
  \int {\mathop {\lim \inf }\limits_n } ({f_n} + g) \leqslant \lim \inf \int {({f_n} + g)} ; \hfill \\
  \int {\mathop {\lim \inf }\limits_n } (g - {f_n}) \leqslant \lim \inf \int {(g - {f_n})}  \hfill \\
\end{gathered}  \right. \hfill \\
   &\Rightarrow \left\{ \begin{gathered}
  \int g  + \int {\mathop {\lim \inf }\limits_n } {f_n} \leqslant \lim \inf \int {{f_n} + \int g } ; \hfill \\
  \int g  - \int {\mathop {\lim \sup }\limits_n {f_n}}  \leqslant \int {g - \lim \sup \int {{f_n}} }  \hfill \\
\end{gathered}  \right. \hfill \\
   &\Rightarrow \left\{ \begin{gathered}
  \int {\mathop {\lim \inf }\limits_n } {f_n} \leqslant \lim \inf \int {{f_n}} ; \hfill \\
   - \int {\mathop {\lim \sup }\limits_n {f_n}}  \leqslant  - \lim \sup \int {{f_n}}  \hfill \\
\end{gathered}  \right. \hfill \\
\end{align*} 注意到 $f = \lim_n f_n = \liminf_n f_n = \limsup_n f_n$ ，而且 $\{x: \lim_n f_n \neq f(x)\}$ 的測度為 $0$，故 $\int f = \int \liminf f_n  = \int \limsup f_n$。 現在我們進一步改寫上式
\[\begin{gathered}
  \left\{ \begin{gathered}
  \int f  \leqslant \lim \inf \int {{f_n}} ; \hfill \\
  \int f  \geqslant \lim \sup \int {{f_n}}  \hfill \\
\end{gathered}  \right. \hfill \\
   \Rightarrow \lim \sup \int {{f_n} \leqslant \int {f \leqslant \lim \inf \int {{f_n}} } }  \hfill \\
\end{gathered} \]亦即 $\int f_n \to \int f$。至此得證。$\square$



Remarks:
$\liminf (a_k + b+k) = \liminf a_k + \liminf b_k$ 不全為然。Counter example?

上述等式成立僅僅 $\lim a_k = a$ 則 $\liminf_k (a_k + b_k) = a+\liminf b_k$。