Inégalité de Minkowski

En mathématiques, l'inégalité de Minkowski, ainsi nommée en l'honneur de Hermann Minkowski, est l'inégalité triangulaire pour la norme des espaces L^p pour p ≥ 1, établissant ainsi que ce sont des espaces vectoriels normés.

Elle concerne en particulier la norme des espaces de suites ℓ^p.

Énoncé

Soient ${\displaystyle (X,{\mathcal {A}},\mu )}$ un espace mesuré, ${\displaystyle p\in [1,+\infty [}$ et deux fonctions ${\displaystyle f,g\in L^{p}(X)}$. Alors

${\displaystyle \|f+g\|_{p}\leq \|f\|_{p}+\|g\|_{p},}$

c'est-à-dire

${\displaystyle \left(\int |f+g|^{p}\mathrm {d} \mu \right)^{\frac {1}{p}}\leq \left(\int |f|^{p}\mathrm {d} \mu \right)^{\frac {1}{p}}+\left(\int |g|^{p}\mathrm {d} \mu \right)^{\frac {1}{p}}.}$

Démonstration

${\displaystyle L^{p}(X)}$ étant un espace vectoriel, ${\displaystyle f+g\in L^{p}(X)}$. Si ${\displaystyle \lVert f+g\rVert _{p}=0}$, l'inégalité est vérifiée.

Sinon, en appliquant successivement l'inégalité triangulaire dans ${\displaystyle \mathbb {R} }$ et l'inégalité de Hölder (avec ${\displaystyle q={\frac {p}{p-1}}}$), il vient: ${\displaystyle {\begin{aligned}\|f+g\|_{p}^{p}&=\int |f+g|^{p}\mathrm {d} \mu \\&\leq \int (|f|+|g|)|f+g|^{p-1}\mathrm {d} \mu \\&=\int |f||f+g|^{p-1}\mathrm {d} \mu +\int |g||f+g|^{p-1}\mathrm {d} \mu \\&\leq \left(\left(\int |f|^{p}\mathrm {d} \mu \right)^{1/p}+\left(\int |g|^{p}\mathrm {d} \mu \right)^{1/p}\right)\left(\int |f+g|^{(p-1)\left({\frac {p}{p-1}}\right)}\mathrm {d} \mu \right)^{1-{\frac {1}{p}}}\\&=(\|f\|_{p}+\|g\|_{p}){\frac {\|f+g\|_{p}^{p}}{\|f+g\|_{p}}},\end{aligned}}}$ d'où l'inégalité annoncée.

De plus, pour ${\displaystyle p>1}$, il y a égalité si et seulement si ${\displaystyle f}$ et ${\displaystyle g}$ sont positivement liées presque partout (p.p.), c'est-à-dire si ${\displaystyle f=0}$ p.p. ou s'il existe un réel ${\displaystyle \lambda \geq 0}$ tel que ${\displaystyle g=\lambda f}$ p.p.

Cas particuliers

À l'instar des inégalités de Hölder, les inégalités de Minkowski se vérifient dans le cas particulier de vecteurs dans ℝⁿ (ou ℂⁿ) et même de séries (n = ∞) :

${\displaystyle \left(\sum _{k=1}^{n}|x_{k}+y_{k}|^{p}\right)^{1/p}\leq \left(\sum _{k=1}^{n}|x_{k}|^{p}\right)^{1/p}+\left(\sum _{k=1}^{n}|y_{k}|^{p}\right)^{1/p}.}$

Ces inégalités se déduisent de la précédente en utilisant la mesure de comptage.

Inégalité intégrale de Minkowski

Soient ${\displaystyle (X,{\mathcal {A}},\mu )}$ et ${\displaystyle (Y,{\mathcal {B}},\nu )}$ deux espaces mesurés σ-finis et ${\displaystyle F}$ une fonction mesurable positive sur leur produit. Alors, pour tout p ∈ [1,+∞[^[1],[2],[3] :

${\displaystyle \left(\int _{X}\left(\int _{Y}F(x,y)\,\mathrm {d} \nu (y)\right)^{p}\,\mathrm {d} \mu (x)\right)^{\frac {1}{p}}\leq \int _{Y}\left(\int _{X}F(x,y)^{p}\,\mathrm {d} \mu (x)\right)^{\frac {1}{p}}\,\mathrm {d} \nu (y).}$

Démonstration

Notons ${\displaystyle f(x):=\int _{Y}F(x,y)\,\mathrm {d} \nu (y)}$, ${\displaystyle M:=\int _{Y}\|F(\cdot ,y)\|_{\mathrm {L} ^{p}(\mu )}\,\mathrm {d} \nu (y)}$ et ${\displaystyle q\in ]1,\infty ]}$ tel que ${\displaystyle {\frac {1}{p}}+{\frac {1}{q}}=1}$.

Il s'agit de démontrer que ${\displaystyle \|f\|_{\mathrm {L} ^{p}(\mu )}\leq M}$. Il suffit pour cela de prouver l'inégalité ${\displaystyle \forall g\in \mathrm {L} ^{q}(\mu )\quad \|fg\|_{\mathrm {L} ^{1}(\mu )}\leq M\|g\|_{\mathrm {L} ^{q}(\mu )}}$ (puis d'appliquer l'isomorphisme (L^q)' ≃ L^p si p > 1, ou de prendre simplement g = 1 si p = 1). Cette inégalité se déduit (en supposant sans perte de généralité que ${\displaystyle g\geq 0}$) du théorème de Fubini-Tonelli et de l'inégalité de Hölder.

Dans le cas où ${\displaystyle Y}$ est une paire et ${\displaystyle \nu }$ la mesure de comptage, l'hypothèse de σ-finitude pour ${\displaystyle \mu }$ est superflue et l'on retrouve l'énoncé précédent.

Dans le cas où p > 1, il y a égalité (si et) seulement s'il existe ${\displaystyle \varphi ,\psi }$ mesurables positives (sur ${\displaystyle X}$ et ${\displaystyle Y}$ respectivement) telles que F(x,y) = φ(x)ψ(y) p.p. pour la mesure produit.