G8-E12

[!infobox] Teorema: Criterio de Regularidad (Aproximación por Abiertos y Cerrados) Contexto: Caracterización de Conjuntos Medibles Lebesgue Enunciado: Sea A⊆RA \subseteq \mathbb{R}. A∈M  ⟺  ∀ε>0,∃G abierto,F cerrado tal que F⊆A⊆G y μ(G∖F)<εA \in \mathcal{M} \iff \forall \varepsilon > 0, \exists G \text{ abierto}, F \text{ cerrado tal que } F \subseteq A \subseteq G \text{ y } \mu(G \setminus F) < \varepsilon.

Advertencia/Clave: La dirección (⇐\Leftarrow) depende crucialmente de la Completitud de la medida de Lebesgue (un subconjunto de un conjunto de medida nula es medible).

Demostración:

1. Necesidad (⇒\Rightarrow) Supongamos que A∈MA \in \mathcal{M}. Por las propiedades de Regularidad de la medida de Lebesgue:

  • Regularidad Exterior: Existe un abierto G⊇AG \supseteq A tal que μ(G∖A)<ε/2\mu(G \setminus A) < \varepsilon/2.
  • Regularidad Interior (aproximación por cerrados): Existe un cerrado F⊆AF \subseteq A tal que μ(A∖F)<ε/2\mu(A \setminus F) < \varepsilon/2.

Analizamos la diferencia G∖FG \setminus F. Dado que F⊆A⊆GF \subseteq A \subseteq G, podemos descomponer la diferencia como la unión disjunta de los errores de aproximación:

G∖F=(G∖A)∪(A∖F)G \setminus F = (G \setminus A) \cup (A \setminus F)

Aplicando la subaditividad (o aditividad en este caso disjunto):

μ(G∖F)=μ(G∖A)+μ(A∖F)<ε2+ε2=ε\mu(G \setminus F) = \mu(G \setminus A) + \mu(A \setminus F) < \frac{\varepsilon}{2} + \frac{\varepsilon}{2} = \varepsilon

2. Suficiencia (⇐\Leftarrow) Supongamos que para todo n∈Nn \in \mathbb{N}, tomando ε=1/n\varepsilon = 1/n, existen GnG_n abierto y FnF_n cerrado tales que:

Fn⊆A⊆Gnyμ(Gn∖Fn)<1nF_n \subseteq A \subseteq G_n \quad \text{y} \quad \mu(G_n \setminus F_n) < \frac{1}{n}

Podemos expresar el conjunto AA como:

A=Fn∪(A∖Fn)A = F_n \cup (A \setminus F_n)

Observamos que:

  1. FnF_n es un conjunto cerrado, por lo tanto es Borel-medible y Fn∈MF_n \in \mathcal{M}.
  2. Para el término residual (A∖Fn)(A \setminus F_n), notamos que:
(A∖Fn)⊆(Gn∖Fn)(A \setminus F_n) \subseteq (G_n \setminus F_n)
Por la monotonía de la medida exterior $\mu^*$:
μ∗(A∖Fn)≤μ(Gn∖Fn)<1n\mu^*(A \setminus F_n) \leq \mu(G_n \setminus F_n) < \frac{1}{n}

Dado que esto vale para todo nn, si hacemos n→∞n \to \infty, tenemos que μ∗(A∖⋃Fn)=0\mu^*(A \setminus \bigcup F_n) = 0. Definamos E=A∖FkE = A \setminus F_k para algún kk fijo suficientemente grande. Como su medida exterior puede hacerse arbitrariamente pequeña, AA difiere de un conjunto medible por un conjunto nulo. Más formalmente: Sea Z=A∖FnZ = A \setminus F_n. Como Z⊆Gn∖FnZ \subseteq G_n \setminus F_n y μ(Gn∖Fn)→0\mu(G_n \setminus F_n) \to 0, ZZ es un conjunto nulo. Por la Completitud de la medida de Lebesgue, todo conjunto con medida exterior nula es medible.

∴A∈M\therefore A \in \mathcal{M} ■\blacksquare