G8-E11

[!infobox] Teorema: Caracterización de Conjuntos Medibles Contexto: Teoría de la Medida (Regularidad) Enunciado: Sea A⊆RA \subseteq \mathbb{R}. Las siguientes afirmaciones son equivalentes:

  1. AA es Lebesgue-medible (A∈MA \in \mathcal{M}).
  2. A=F∪ZA = F \cup Z, donde FF es una unión numerable de cerrados (FσF_\sigma) y μ(Z)=0\mu(Z) = 0.
  3. A=G∖HA = G \setminus H, donde GG es una intersección numerable de abiertos (GδG_\delta) y μ(H)=0\mu(H) = 0.

Clave: Usar la propiedad de Regularidad: ∀ε>0,∃O abierto ⊇A tal que μ(O∖A)<ε\forall \varepsilon > 0, \exists \mathcal{O} \text{ abierto } \supseteq A \text{ tal que } \mu(\mathcal{O} \setminus A) < \varepsilon.

Demostración:

(b)   ⟹  \implies (a) y (c)   ⟹  \implies (a): Son inmediatas dado que la σ\sigma-álgebra de Lebesgue M\mathcal{M} contiene a los conjuntos de Borel (abiertos y cerrados), es cerrada bajo uniones/intersecciones numerables y es completa (contiene a todos los conjuntos de medida nula).

(a)   ⟹  \implies (c): Aproximación por GδG_\delta Sea A∈MA \in \mathcal{M}.

  1. Por la Regularidad Exterior de la medida de Lebesgue, para cada n∈Nn \in \mathbb{N}, existe un conjunto abierto GnG_n tal que A⊆GnA \subseteq G_n y:
μ(Gn∖A)<1n\mu(G_n \setminus A) < \frac{1}{n}
*(Nota: Si $\mu(A)=\infty$, se aplica esto a $A \cap [-k, k]$ y se unen los resultados).*

2. Definimos G=⋂n=1∞GnG = \bigcap_{n=1}^{\infty} G_n. Como cada GnG_n es abierto, GG es un conjunto GδG_\delta (intersección numerable de abiertos). 3. Claramente A⊆GA \subseteq G. Sea H=G∖AH = G \setminus A. Observamos que H⊆Gn∖AH \subseteq G_n \setminus A para todo n∈Nn \in \mathbb{N}. Por monotonía de la medida:

μ(H)≤μ(Gn∖A)<1n\mu(H) \leq \mu(G_n \setminus A) < \frac{1}{n}
  1. Haciendo n→∞n \to \infty, concluimos que μ(H)=0\mu(H) = 0. Por lo tanto, A=G∖HA = G \setminus H.

(a)   ⟹  \implies (b): Aproximación por FσF_\sigma Sea A∈MA \in \mathcal{M}.

  1. Por la Regularidad Interior, para cada n∈Nn \in \mathbb{N}, existe un conjunto cerrado FnF_n tal que Fn⊆AF_n \subseteq A y:
μ(A∖Fn)<1n\mu(A \setminus F_n) < \frac{1}{n}
  1. Definimos F=⋃n=1∞FnF = \bigcup_{n=1}^{\infty} F_n. Como cada FnF_n es cerrado, FF es un conjunto FσF_\sigma (unión numerable de cerrados).
  2. Claramente F⊆AF \subseteq A. Sea Z=A∖FZ = A \setminus F. Observamos que Z=A∖⋃Fn=⋂(A∖Fn)⊆(A∖Fn)Z = A \setminus \bigcup F_n = \bigcap (A \setminus F_n) \subseteq (A \setminus F_n) para todo nn. Por monotonía:
μ(Z)≤μ(A∖Fn)<1n\mu(Z) \leq \mu(A \setminus F_n) < \frac{1}{n}
  1. Haciendo n→∞n \to \infty, obtenemos μ(Z)=0\mu(Z) = 0. Por lo tanto, A=F∪ZA = F \cup Z.
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