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.

Portrait d'Hermann Minkowski

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

Énoncé

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

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

c'est-à-dire

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

Démonstration

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

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

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

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

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

Inégalité intégrale de Minkowski

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

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

Démonstration

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

Il s'agit de démontrer que $\|f\|_{\mathrm {L} ^{p}(\mu )}\leq M$. Il suffit pour cela de prouver l'inégalité $\forall g\in \mathrm {L} ^{q}(\mu )\quad \|fg\|_{\mathrm {L} ^{1}(\mu )}\leq M\|g\|_{\mathrm {L} ^{q}(\mu )}$ (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 $g\geq 0$) du théorème de Fubini-Tonelli et de l'inégalité de Hölder.

Dans le cas où $Y$ est une paire et $\nu$ la mesure de comptage, l'hypothèse de σ-finitude pour $\mu$ 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 $\varphi ,\psi$ mesurables positives (sur $X$ et $Y$ respectivement) telles que F(x,y) = φ(x)ψ(y) p.p. pour la mesure produit.