Gen. Math. Notes, Vol. 2, No. 2, February 2011, pp. 111-118 ISSN 2219-7184; Copyright © ICSRS Publication, 2011 www.i-csrs.org Available free online at http://www.geman.in New Types of Hardy-Hilbert’s Integral Inequality W.T. Sulaiman Department of Computer Engineering College of Engineerng,University of Mosul, Iraq E-mail: waadsulaiman@hotmail.com (Received: 24-10-10 /Accepted: 11-11-10) Abstract Two new form inequalities similar to Hardy-Hilbert’s integral inequality are given. Keywords: Hardy-Hilbert,s Integral inequality, Integral inequality. 1 Introduction Let f , g ≥ 0 satisfy ∞ ∞ 0 < ∫ f (t) dt < ∞ and 0 < ∫ g 2 (t) dt < ∞ , 2 0 0 then ∞∞ (1) ∫∫ 00 f (x) g( y) dxdy < x+ y 1/ 2 ∞ ∞ 2 π ∫ f (t) dt ∫ g 2 (t) dt , 0 0 112 W.T. Sulaiman where the constant factor π is the best possible (cf. Hardy et al. [2]).Inequality (1) is well known as Hilbert's integral inequality. This inequality had been extended by Hardy [1] as follows 1 p If p>1, + 1q =1, f , g ≥ 0 satisfy ∞ ∞ 0 < ∫ f (t) dt < ∞ and ∫ g q (t) dt < ∞ , p 0 0 then ∞∞ ∫∫ (2) 00 1/ p ∞ ∞ p f (x) g( y) π ∫ f (t) dt dxdy < x+ y sin(π / p) 0 where the constant factor 1/ q q ∫ g (t) dt , 0 π is the best possible. Inequality (2) is called sin (π / p ) Hardy-Hilbert's integral inequality and is important in analysis and application (cf. Mitrinovic et al. [3]). B. Yang gave the following extension of (2) as follows : Theorem [4]. If λ > 2 − min {p, q}, f , g ≥ 0, satisfy ∞ 1−λ ∞ 0 < ∫t f (t) dt < ∞ and ∫t1−λ gq (t) dt < ∞, p 0 0 then ∞∞ (3) f (x) g( y) ∫∫ (x + y)λ 00 1/ p ∞ ∞ 1−λ p dxdy < kλ ( p) ∫ t f (t) dt 0 ( p+λ−2 q+λ−2 ) 1/ q 1−λ q ∫ t g (t) dt , 0 where the constant factor kλ ( p)=B p , q is the best possible, B is the beta function. The object of this paper is to give some new inequalities similar to that of HardyHilbert’s inequality. 2 Lemma The following lemma is needed for our result Lemma Let 1 < 1 + α < λ < 2. Then New Types Of Hardy-Hilbert’s Integral… ∞ t α −1 ∫ 1− t λ −1 113 dt = B(α, 2 − λ) + B(λ − α −1, 2 − λ) 0 Proof ∞ tα−1 ∫ 1− t λ −1 1 dt = ∫ 0 0 1 =∫ tα−1 (1− t) λ−1 t α−1 λ−1 0 (1 − t ) ∞ dt + ∫ 1 t α−1 (t −1) λ−1 t λ−α−2 1 dt + ∫ λ−1 0 (1 − t ) dt dt = B(α, 2−λ) + B(λ −α −1, 2−λ). 3 Main Result We state and prove the following new results Theorem 1. Let f , g , h ≥ 0, p, q, r >1, 1p + q1 + 1r =1, 0 <α <1, β <λ < 2, whereα ∈{a, b, c}, and β ∈{a + b +1, a + c +1, b + c +1}. Let ∞ 0 < ∫t b+c+1−λ +(1−a)( p −1) ∞ f (t ) dt < ∞, 0 < ∫ t a+c+1−λ +(1−b)(q−1) g q (t ) dt < ∞, p 0 0 ∞ 0 < ∫ t a+b+1−λ +(1−c)(r −1) h r (t ) dt < ∞. 0 Then we have ∞∞∞ ∫∫∫ 000 f (x) g( y) h(z) x− y−z λ−1 1/ p ∞ b+c+1−λ −(1−a)( p−1) p dxdydz ≤ K1K2 K3 ∫ t f (t) dt 0 1/ q ∞ a+c+1− λ+(1−b)(q−1) q ∫ t g ( t ) dt 0 where K1 =[B(c, 2 −c) +B(λ −c −1, 2 −λ)] × 1/ r ∞ a+b+1− λ+(1−c)(r−1) r ∫t , h ( t ) dt 0 [B(b, 2 + c −λ) + B(λ −b −c −1, 2 + c −λ)]1/ p 1/ q 1/ q K2 =[B(a, 2 −λ) + B(λ − a −1, 2 − λ)] [B(c, λ − a −c −1)] 1/ r K3 =[B(b, 2 −λ) + B(λ −b −1, 2 − λ)] [B(a, 2 + b −λ) + B(λ − a −b −1, 2 + b − λ)]. 1/ p 114 W.T. Sulaiman Proof. ∞∞∞ ∫∫∫ f ( x) g ( y) h( z) x− y−z 0 0 0 ∞∞∞ 0 0 0 z 1 1 (c−1) + p q x a−1 r h(z) x dx dydz f ( x) y =∫∫∫ × λ −1 y 1 1 ( a −1) + q r b −1 p z c −1 p λ −1 x− y−z g ( y) z × y p 1 1 (b −1) + p r c −1 q x a −1 q x− y−z λ −1 q b−1 r dxdy dz x− y−z λ −1 r 1/ p ∞ ∞ ∞ f p (x) yb−1zc−1 ≤ ∫∫∫ dxdydz 0 0 0 x(a−1)( p−1) x − y − z λ−1 1/ q ∞ ∞ ∞ gq (y)zc−1xa−1 dxdydz λ−1 (b−1)(q−1) ∫∫∫ x− y−z 0 0 0 y 1/ r ∞ ∞ ∞ hr (z)xa−1 yb−1 dx dy dz × ∫∫∫ λ − 1 ( c − 1 ) ( r − 1 ) 0 0 0 z x− y−z = P1/ p Q1/ q R1/ r . x − y − z ≤ x − y − z , we have ً◌We first consider P. As P≤ ∞∞∞ ∫∫∫ x 0 0 0 f p ( x) y b−1 z c−1 ( a −1) ( p −1) x− y −z λ −1 dx dy dz b −1 y ∞ ∞ x b + c +1− λ + (1− a ) ( p −1) p = ∫x f ( x) dx ∫ y 0 0 1− x ∞ b+c+1−λ+(1−a)( p−1) = ∫x 0 ∞ f (x) dx ∫ p 0 λ − c −1 t b−1 1− t 1 x λ−c−1 dy z ∞ x− y ∫ 0 ∞ dt 1− t c−1 ∫ 1− t λ −1 c −1 z x− y 1 x− y λ −1 dz dt 0 = [B(c, 2 − λ ) + B(λ − c − 1, 2 − λ )][B(b, 2 + c − λ ) + B(λ − b − c − 1, 2 + c − λ )] New Types Of Hardy-Hilbert’s Integral… 115 ∞ × ∫ xb+c+1−λ+(1−a)( p−1) f p (x) dx, 0 by an application of the lemma. Q = ∞∞ ∞ ∫∫∫ y 0 0 0 g q ( y ) z c −1 x a −1 ( b −1) ( q −1 ) x− y−z ∞ λ −1 = ∫ y a+c+1−λ +(1−b)(q−1) g q ( y) dy 0 ∞ dx dy dz ∫ z y c −1 z 0 1 + y 1 y λ − a −1 dz x ∞ y+ z ∫ 0 a −1 x y+z 1− 1 y+z λ −1 dx = B(c, λ − a − c − 1) [B(a, 2 − λ ) + B(λ − a − 1, 2 − )] × ∞ a+c+1−λ+(1−b) q+q p r q ∫y g (y)dy. 0 Finally ∞∞∞ hr (z) xa−1 yb−1 R = ∫∫∫ (c−1)( r −1) x− y−z 000 z ∞∞∞ ≤ ∫∫∫ 000 λ−1 hr (z) xa−1 yb−1 z (c−1)( r −1) x−z − y λ−1 dxdydz dxdydz y ∞ x−z a−1 x 1 ∞ ∞ z z dx ∫ = ∫ z a+b+1−λ+(1−c)(r −1) hr (z) dz ∫ λ −b−1 x 0 0 0 1− z 1− b−1 1 x−z y x−z λ −1 dy = [B(b, 2 − λ ) + B(λ − b − 1, 2 − λ )][B(a, 2 + b − λ ) + B(λ − a − b − 1, 2 + b − λ )] ∞ a+b+1−λ+(1−c) r + r p q r × ∫z 0 h (z) dz. 116 W.T. Sulaiman This completes the proof of the theorem. Theorem 2. ∞ Let f , g, h ≥ 0, p, q, r >1, 0 < ∫ 1− t λp 0 1 p + 1q + 1r =1, 32 < λ < γ1 , γ ∈{p, q, r}, ∞ q f p (t) λq g (t ) dt < ∞, 0 < ∫ 1 − t dt < ∞, t t 0 ∞ ∫ 1− t λr 0 hr (t) dt < ∞ t . Then, ∞∞∞ ∫∫∫ f (x) g( y) h(z) λ 1− xyz 000 dxdydz ≤ 2B(λ / 2,1− λ) K1p/ p Kq1/ q Kr1/ r 1/ p × 1/ p p ∞ λp f (t) ∫ 1− t dt t 0 where 1/ q ∞ q ∞ λq g (t) ∫ 1− t dt t 0 1/ r r λr h (t ) ∫ 1− t , dt t 0 K γ = B (γ (1 − λ / 2 ), 1 − λγ ) + B (γ (3λ / 2 − 1, 1 − λγ )). Proof. Applying the lemma, with λ − 1 replaced by λ ,we have ∞∞∞ ∫∫∫ f (x) g( y) h(z) 1 − xyz 0 0 0 λ dx dy dz λ / 2−1 λ / 2−1 = ∞∞∞ ∫∫∫ 0 0 0 f (x) x p z p 1− x 1− y y (λ / 2−1)(1−1/ p) 1 − xyz λ λ/ p h(z) z × g( y) y λ / 2−1 λ / 2−1 q q x 1− y 1− z z (λ / 2−1)(1−1/ q) 1 − xyz λ / 2−1 λ / 2−1 r r y 1− z 1− x λ/ r x(λ / 2−1)(1−1/ r) 1− xyz λ λ/q λ dxdydz New Types Of Hardy-Hilbert’s Integral… 117 1/ p ∞ ∞ ∞ f p (x) x λ / 2−1 z λ / 2−1 1 − x λp ≤ ∫∫∫ dx dy dz 0 0 0 y (λ / 2−1)( p−1) 1 − y λp 1 − xyz λ × 1/ q ∞ ∞ ∞ g q ( y) y λ / 2−1 x λ / 2−1 1 − y λq dx dy dz λq λ (λ / 2−1)( q−1) ∫∫∫ 1 − z 1 − xyz 0 0 0 z × 1/ r ∞ ∞ ∞ h r (z) z λ / 2−1 y λ / 2−1 1 − z λr dx dy dz λr λ (λ / 2−1)(r −1) ∫∫∫ 1 − x 1 − xyz 0 0 0 x = L1/ p M1/ q N1/ r . Observe that L = ∞ ∫ 1− x 0 λp ∞ f p ( x) dx x ∫ 0 y p (1− λ / 2 )−1 1− y λp ∞ dy ∫ (xyz )λ / 2−1 xy 0 1 − xyz λ dz = 2 B(λ / 2, 1 − λ ) [B( p(1 − λ / 2 ), 1 − λp ) + B(3λ / 2 − 1, 1 − λp )] ∞ × ∫ 1− x 0 = 2 B(λ / 2,1 − λ ) K p ∞ ∫ 1− x λp 0 λp f p (x) dx x f p (x) dx . x Similarly, we can show that M = 2 B(λ / 2,1 − λ ) Kq ∞ ∫ 1− y λq g q ( y) dy , y λr h r ( z) dz. z 0 N = 2 B(λ / 2,1 − λ ) Kr ∞ ∫ 1− z 0 The proof is complete. References [1] [2] [3] G.H. Hardy, Note on a theorem of Hilbert concerning series of positive terms, Proc. Math. Soc., Records of Proc., XLV-XLVI, 23(2) (1925). G.H. Hardy, J.E. Littlewood and G. Polya, Inequalities, Cambridge University Press, Cambridge, (1952). D.S. Mitrinovic, J.E. Pecaric and A.M. Fink, Inequalities Involving Functions and Their Integrals and Derivatives, Kluwer Academic Publishers, Bosten, (1991). 118 [4] W.T. Sulaiman B.Yang, On Hardy-Hilbert's integral inequality, J. Math. Anal. Appl., 261 (2001), 295-306.