G8-E1

[!infobox] Ejercicio: La σ\sigma-álgebra Conumerable Contexto: Teoría de la Medida / Espacios Medibles Enunciado: Sea XX un conjunto. Pruebe que la colección A={A⊆X:A es contable o Ac es contable}\mathcal{A} = \{ A \subseteq X : A \text{ es contable o } A^c \text{ es contable} \} es una σ\sigma-álgebra. Clave: Usar De Morgan para probar que la unión de conjuntos donde al menos uno es "co-contable" resulta en un conjunto "co-contable".

Demostración:

Para que A\mathcal{A} sea una σ\sigma-álgebra, debe satisfacer tres propiedades:

  1. El conjunto vacío pertenece a A\mathcal{A}: El conjunto ∅\emptyset es finito, y por tanto contable.
  ⟹  ∅∈A\implies \emptyset \in \mathcal{A}
  1. Cerradura bajo complementos: Sea A∈AA \in \mathcal{A}. Por definición, se cumple una de las siguientes:

    • Caso (i): AA es contable. Entonces (Ac)c=A(A^c)^c = A es contable.   ⟹  Ac∈A\implies A^c \in \mathcal{A}.
    • Caso (ii): AcA^c es contable. Entonces AcA^c es trivialmente contable.   ⟹  Ac∈A\implies A^c \in \mathcal{A}. En cualquier caso, Ac∈AA^c \in \mathcal{A}.
  2. Cerradura bajo uniones contables: Sea (An)n∈N⊆A(A_n)_{n \in \mathbb{N}} \subseteq \mathcal{A}. Sea S=⋃n=1∞AnS = \bigcup_{n=1}^{\infty} A_n. Distinguimos dos casos:

    • Caso 1: Todos los AnA_n son contables. Sabemos que la unión numerable de conjuntos numerables es numerable.
  ⟹  S es contable  ⟹  S∈A.\implies S \text{ es contable} \implies S \in \mathcal{A}.
* **Caso 2:** Existe al menos un $k \in \mathbb{N}$ tal que $A_k$ no es contable.
    Como $A_k \in \mathcal{A}$, necesariamente $A_k^c$ es contable.
    Analizamos el complemento de la unión $S^c$ usando las Leyes de De Morgan:
    
Sc=(⋃n=1∞An)c=⋂n=1∞AncS^c = \left( \bigcup_{n=1}^{\infty} A_n \right)^c = \bigcap_{n=1}^{\infty} A_n^c
    Dado que la intersección de conjuntos es subconjunto de cada uno de ellos:
    
Sc⊆AkcS^c \subseteq A_k^c
    Como $A_k^c$ es contable y todo subconjunto de un conjunto contable es contable, entonces $S^c$ es contable.
    
  ⟹  S∈A.\implies S \in \mathcal{A}.

Conclusión: A\mathcal{A} satisface los axiomas y es una σ\sigma-álgebra sobre XX.

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