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Desigualdad de normas L2

Sea $f_1,f_2,f_3:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}_{\ge 0}$ ser medible, acotada y con soporte compacto. Demostrar que

$$\int_{\mathbb{R}^3}f_1(y,z)f_2(x,z)f_3(x,y)d(x,y,z)\le\lVert f_1\rVert_{L^2(\mathbb{R}^2)}\lVert f_2\rVert_{L^2(\mathbb{R}^2)}\lVert f_3\rVert_{L^2(\mathbb{R}^2)}$$ Por el Teorema de Tonelli y Cauchy, \begin{align} \int_{\mathbb{R}^3}f_1(y,z)f_2(x,z)f_3(x,y)d(x,y,z) &=\int_{\mathbb{R}^2}\left(f_1(y,z)\int_{\mathbb{R}}f_2(x,z)f_3(x,y)dx\right)d(y,z)\\ &\le\sqrt{\int_{\mathbb{R}^2}f_1^2(y,z)d(y,z)\int_{\mathbb{R}^2}\left(\int_{\mathbb{R}}f_2(x,z)f_3(x,y)dx\right)^2d(y,z)} \\ &\le\lVert f_1\rVert_{L^2(\mathbb{R}^2)}\sqrt{\int_{\mathbb{R}^2}\left(\int_{\mathbb{R}}f_2^2(x,z)f_3^2(x,y)dx\right)d(y,z)} \\ &=\Vert f_1\Vert_{L^2(\mathbb{R}^2)}\sqrt{\int_{\mathbb{R}^3}f_2^2(x,z)f_3^2(x,y)d(x,y,z)} \\ &=\lVert f_1\rVert_{L^2(\mathbb{R}^2)}\sqrt{\int_{\mathbb{R}^2}\left(f_2^2(x,z)\int_{\mathbb{R}}f_3^2(x,y)dy\right)d(x,z)} \\ &\le\lVert f_1\rVert_{L^2(\mathbb{R}^2)}\sqrt[4]{\int_{\mathbb{R}^2}f_2^4(x,z)d(x,z)\int_{\mathbb{R}^2}\left(\int_{\mathbb{R}}f_3^2(x,y)dy\right)^2d(x,z)} \end{align} Como puedes ver, esto no parece ir a ninguna parte.

5voto

W3BGUY Puntos 51

\begin{align*} &\int f_{1}(y,z)f_{2}(x,z)f_{3}(x,y)dxdydz\\ &=\int f_{1}(y,z)f_{2}(x,z)dz f_{3}(x,y)dxdy\\ &\leq\int\left(\int f_{1}(y,z)^{2}dz\right)^{1/2}\left(\int f_{2}(x,z)^{2}dz\right)^{1/2}f_{3}(x,y)dxdy\\ &\leq\left(\int\left(\int f_{1}(y,z)^{2}dz\right)\left(\int f_{2}(x,z)^{2}dz\right)dxdy\right)^{1/2}\left(\int f_{3}(x,y)^{2}dxdy\right)^{1/2}\\ &=\left(\int f_{1}(y,z)^{2}dydz\right)^{1/2}\left(\int f_{2}(x,z)^{2}dxdz\right)^{1/2}\left(\int f_{3}(x,y)^{2}dxdy\right)^{1/2}\\ &=\|f_{1}\|_{L^{2}}\|f_{2}\|_{L^{2}}\|f_{3}\|_{L^{2}}. \end{align*}

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