G9 - E7

Enunciado: Dada una sucesión (fn)n(f_n)_n de funciones en EE, consideremos las funciones:

S(x)=sup⁡n∈Nfn(x)yI(x)=inf⁡n∈Nfn(x)S(x) = \sup_{n \in \mathbb{N}} f_n(x) \quad \text{y} \quad I(x) = \inf_{n \in \mathbb{N}} f_n(x)

Pruebe que si las funciones fnf_n son medibles, entonces SS e II también lo son.


Demostración para el Supremo (SS)

Objetivo: Probar que la función S(x)=sup⁡nfn(x)S(x) = \sup_n f_n(x) es medible.

Recordemos que una función ff es medible si para todo número real aa, el conjunto {x∈E:f(x)>a}\{x \in E : f(x) > a\} es medible (pertenece a la σ\sigma-álgebra).

  1. Análisis de la condición S(x)>aS(x) > a:

    El supremo de un conjunto de números es estrictamente mayor que aa si y solo si al menos uno de los números del conjunto es mayor que aa.

    Matemáticamente:

sup⁡n∈Nfn(x)>a  ⟺  ∃n∈N tal que fn(x)>a\sup_{n \in \mathbb{N}} f_n(x) > a \iff \exists n \in \mathbb{N} \text{ tal que } f_n(x) > a
  1. Traducción a Conjuntos:

    Basándonos en la equivalencia anterior, el conjunto de puntos donde el supremo supera a aa es exactamente la unión de los conjuntos donde cada función individual supera a aa.

{x∈E:S(x)>a}=⋃n=1∞{x∈E:fn(x)>a}\{x \in E : S(x) > a\} = \bigcup_{n=1}^{\infty} \{x \in E : f_n(x) > a\}
  1. Argumento de Medibilidad:

    • Por hipótesis, cada función fnf_n es medible.

    • Por definición de medibilidad, para cada nn, el conjunto {x:fn(x)>a}\{x : f_n(x) > a\} es un conjunto medible (pertenece a la σ\sigma-álgebra M\mathcal{M}).

    • Una propiedad fundamental de las σ\sigma-álgebras es que son cerradas bajo uniones numerables.

    • Por lo tanto, la unión ⋃n=1∞{x:fn(x)>a}\bigcup_{n=1}^{\infty} \{x : f_n(x) > a\} pertenece a M\mathcal{M}.

    Conclusión:

    El conjunto {x∈E:S(x)>a}\{x \in E : S(x) > a\} es medible para todo a∈Ra \in \mathbb{R}.

∴S es una funcioˊn medible.\therefore S \text{ es una función medible.}

Demostración para el Ínfimo (II)

Objetivo: Probar que la función I(x)=inf⁡nfn(x)I(x) = \inf_n f_n(x) es medible.

Podemos probarlo de forma análoga analizando el conjunto {x:I(x)<a}\{x : I(x) < a\}.

  1. Análisis de la condición I(x)<aI(x) < a:

    El ínfimo de un conjunto de números es estrictamente menor que aa si y solo si al menos uno de los números es menor que aa.

    (Si todos fueran mayores o iguales a aa, el ínfimo sería mayor o igual a aa).

    Matemáticamente:

inf⁡n∈Nfn(x)<a  ⟺  ∃n∈N tal que fn(x)<a\inf_{n \in \mathbb{N}} f_n(x) < a \iff \exists n \in \mathbb{N} \text{ tal que } f_n(x) < a
  1. Traducción a Conjuntos:

    Esto significa que el conjunto donde el ínfimo es menor que aa es la unión de los conjuntos donde cada función es menor que aa.

{x∈E:I(x)<a}=⋃n=1∞{x∈E:fn(x)<a}\{x \in E : I(x) < a\} = \bigcup_{n=1}^{\infty} \{x \in E : f_n(x) < a\}
  1. Argumento de Medibilidad:

    • Como cada fnf_n es medible, el conjunto {x:fn(x)<a}\{x : f_n(x) < a\} es medible (usando la condición equivalente de medibilidad para intervalos del tipo (−∞,a)(-\infty, a)).

    • Nuevamente, la unión numerable de conjuntos medibles es medible.

    • Por lo tanto, ⋃n=1∞{x:fn(x)<a}∈M\bigcup_{n=1}^{\infty} \{x : f_n(x) < a\} \in \mathcal{M}.

    Conclusión:

    El conjunto {x∈E:I(x)<a}\{x \in E : I(x) < a\} es medible para todo a∈Ra \in \mathbb{R}.

∴I es una funcioˊn medible.\therefore I \text{ es una función medible.}

Método Alternativo para el Ínfimo

También es posible demostrar la medibilidad del ínfimo utilizando propiedades algebraicas y el resultado del supremo que ya probamos:

  1. Sabemos que inf⁡(A)=−sup⁡(−A)\inf (A) = - \sup (-A).

  2. Por lo tanto, I(x)=inf⁡nfn(x)=−sup⁡n(−fn(x))I(x) = \inf_n f_n(x) = - \sup_n (-f_n(x)).

  3. Si fnf_n es medible, entonces −fn-f_n es medible (propiedad del producto por escalar).

  4. Por la primera parte de este ejercicio, el supremo de funciones medibles (sup⁡(−fn)\sup (-f_n)) es medible.

  5. Finalmente, el negativo de una función medible es medible.

∴I es medible.\therefore I \text{ es medible.}