두 항을 더하면 ∥f+g∥22≤(∥f∥2+∥g∥2)∥f+g∥22−1을 얻습니다. 여기서 ∥f+g∥2=1=0이므로 양변을 ∥f+g∥2로 나누면 ∥f+g∥2≤∥f∥2+∥g∥2 — 즉 1≤32≈1.1547005384가 됩니다. 틈새는 32−1≈0.1547005384로, 씬의 수치와 일치합니다. (일반적인 p에서는 같은 논증이 (p−1)q=p를 이용해 ∥f+g∥pp≤(∥f∥p+∥g∥p)∥f+g∥pp−1을 주고, ∥f+g∥pp−1로 나누어 민코프스키 부등식을 얻습니다.)
g=cf (c≥0인 상수)일 때 민코프스키 부등식에서 등호가 성립함을, 노름의 동차성 ∥cf∥p=c∥f∥p부터 완전히 증명하세요. 이 씬에서는 a=b=0 (f=g≡1, 즉 c=1)인 경우가 해당하며, 틈새가 0임을 수치로 확인하세요.
g=cf(c≥0)⇒∥f+g∥p=(1+c)∥f∥p=∥f∥p+∥g∥p
a=b=0:∥f∥p=∥g∥p=1,∥f+g∥p=2
p=2, a=b=0: f=g≡1이므로 g=1⋅f — 비례 관계. ∥f∥2=∥g∥2=1, ∥f+g∥2=2, 틈새 =0.증명 보기
먼저 동차성을 증명합니다. c≥0에 대해 ∥cf∥pp=∫01∣cf∣p=∫01cp∣f∣p=cp∥f∥pp이므로, p제곱근을 취하면 ∥cf∥p=c∥f∥p입니다.
g=cf (c≥0)이면 f+g=(1+c)f이므로, 동차성에 의해 ∥f+g∥p=∥(1+c)f∥p=(1+c)∥f∥p=∥f∥p+c∥f∥p=∥f∥p+∥cf∥p=∥f∥p+∥g∥p — 등호가 성립합니다.
씬의 경우: a=b=0이면 f(t)=t0≡1, g(t)=(1−t)0≡1이므로 g=1⋅f입니다. 따라서 ∥f∥2=(∫011dt)1/2=1, ∥g∥2=1, ∥f+g∥2=∥2∥2=2이고, 우변 ∥f∥2+∥g∥2=2와 같아 틈새가 정확히 0입니다. (참고: p=1에서는 적분의 선형성 ∫(f+g)=∫f+∫g 때문에 모든 f,g에 대해 항상 등호가 성립합니다. 더 깊은 등호 조건 — 횔더 단계에서 ∣f∣p와 ∣g∣q가 비례해야 한다는 것 — 은 이 비례 경우를 포함합니다.)
0<p<1에서는 민코프스키 부등식이 성립하지 않음을 보이세요. 먼저 f,g≥0일 때 부등식이 뒤집혀 ∥f+g∥p≥∥f∥p+∥g∥p가 됨을 증명한 뒤, 구체적인 반례 p=21, f(t)=t, g(t)=1−t를 직접 계산하여 ∥f+g∥1/2=1>98=∥f∥1/2+∥g∥1/2임을 수치까지 검증하세요.
0<p<1:(f+g)p≥fp+gp⇒∥f+g∥p≥∥f∥p+∥g∥p
p=21:∥f∥1/2=∥g∥1/2=94,∥f+g∥1/2=1>98
이 문제는 씬의 슬라이더 범위(1≤p≤4) 밖에 있는 p=21에서의 별도 계산에 대한 것입니다 — 프리셋은 씬 기본값 p=2, a=b=1.증명 보기
0<p<1이고 f,g≥0이라 하세요. 각 점에서 (f+g)p≥fp+gp이므로 (밑이 f+g≥max(f,g)이고 지수가 양수이기 때문입니다), 적분하면 ∥f+g∥pp≥∥f∥pp+∥g∥pp입니다. 이제 r=p1>1이라 두면 A,B≥0에 대해 (A+B)r≥Ar+Br이므로 (예: t≥0에서 (1+t)r≥1+tr), ∥f+g∥p≥(∥f∥pp+∥g∥pp)1/p≥∥f∥p+∥g∥p — 부등식이 뒤집힙니다.
구체적으로 p=21, f(t)=t, g(t)=1−t로 계산합니다. ∫01tdt=32이므로 ∥f∥1/2=(32)2=94≈0.444444이고, 대칭성에 의해 ∥g∥1/2=94도 같습니다. 따라서 우변은 94+94=98≈0.888889입니다. 반면 f+g≡1이므로 ∥f+g∥1/2=(∫011dt)2=1입니다. 즉 1>98 — 민코프스키 부등식이 깨지고, 틈새는 −91≈−0.111111로 음수가 됩니다 (수치적분으로도 확인됨).
표준 증명이 무너지는 지점도 명확합니다: 횔더 부등식은 켤레지수 q=p−1p>1을 필요로 하는데, p<1에서는 q<0이 되어 횔더 단계 자체가 성립하지 않습니다. 그래서 민코프스키 부등식은 p≥1이라는 조건이 필수적입니다.