Avanzado 2025 - Práctica 23 - Integración II

Tema: Integración II

Thu-10-07-2025 03:20 profe: Dario Martin Aza status: tags:


Recuerdo

  • ff es medible si f−1{(a,+∞)}f^{-1}\{ (a,+\infty) \} es medible ∀a∈R\forall a \in \mathbb{R}
  • ff es integrable si es medible y ∫R∣f∣ dμ<∞\displaystyle \int_{\mathbb{R}} |f| \, d\mu<\infty
  • ff es integrable en un subconjunto E⊆RE\subseteq \mathbb{R} si f⋅XEf\cdot\mathcal{X}_{E} es integrable.
  • Teo (monótona): (fn)n∈N(f_{n})_{n\in \mathbb{N}} medibles, 0≤f1≤f2≤⋯≤fn≤fn+1≤…0\leq f_{1}\leq f_{2}\leq\dots\leq f_{n}\leq f_{n+1}\leq\dots fn→f ctp  ⟹  ff_{n}\to f\:ctp\implies f medible y ∫fn dμ⟶∫f dμ\displaystyle \int_{} f_{n} \, d\mu\longrightarrow \int_{} f \, d\mu
  • Teo (dominada): (fn)n∈N(f_{n})_{n\in \mathbb{N}} medibles, fn→f ctp.f_{n}\to f\:ctp. Si  ∃ φ\:\exists\:{\Large\varphi} integrable tal que ∣fn(x)∣=φ(x)∀x∈R ∀n∈N|f_{n}(x)|={\Large\varphi}(x)\quad\forall x \in \mathbb{R}\:\forall n\in \mathbb{N}
  ⟹  fn,f son integrables y ∫fn dμ⟶∫f dμ\implies f_{n},f\text{ son integrables y }\int_{} f_{n} \, d\mu \longrightarrow \int_{} f \, d\mu

Ejercicio 1

Sea (an)n∈N(a_{n})_{n\in \mathbb{N}} una sucesión de conjuntos medibles An⊆[0,1]A_{n}\subseteq[0,1] tales que An+1⊆An∀n∈NA_{n+1}\subseteq A_{n}\quad\forall n\in \mathbb{N}. Sea f:[0,1]→Rf:[0,1]\to \mathbb{R} integrable tal que 0≤f(x)<1 ctp.0\leq f(x)<1\:ctp. Sean fn(x)=(1+(f(x))n)⋅XAn(x)f_{n}(x)=(1+(f(x))^{n})\cdot\mathcal{X}_{A_{n}}(x) Probar que fnf_{n} son integrables ∀n∈N\forall n\in \mathbb{N} y que lim⁡n→∞∫01fn dμ=μ(⋂n=1∞An)\displaystyle \underset{ n\to \infty }{ \lim }\int_{0} ^{1}f_{n} \, d\mu=\mu\left( \bigcap_{n=1}^{\infty}A_{n} \right)

Sol:Sol: Si x∈⋂n=1∞Anx \in \displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty}A_{n}, entonces

fn(x)=(1+(f(x)n))⋅XAn(x)⏟=1⟶1 si 0≤f(x)<1 (lo cual vale en ctp)f_{n}(x)=(1+(f(x)^{n} ))\cdot\underbrace{ \mathcal{X}_{A_{n}} (x) }_{ =1 }\longrightarrow 1\text{ si } 0\leq f(x)<1\text{ (lo cual vale en ctp)}

Entonces hay un conjunto EE con μ(E)=0\mu(E)=0 tal que si x∈⋂An∖Ex \in \displaystyle\bigcap A_{n} \setminus E (vale fn(x)⟶1f_{n}(x)\longrightarrow 1 )

Por otro lado, si x∉⋂n=1∞An, ∃ Akx \not\in \displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty}A_{n},\:\exists\:A_{k} con x∈Ak  ⟹  x∉Aj∀j≥kx \in A_{k}\implies x \not\in A_{j}\quad\forall j\geq k. Por lo cual fn(x)=0∀n≥k  ⟹  fn(x)⟶0f_{n}(x)=0\quad\forall n\geq k\implies f_{n}(x)\longrightarrow 0

Esto prueba que fn(x)⟶X⋂n=1∞Anf_{n}(x)\longrightarrow\mathcal{X}_{\bigcap_{n=1}^{\infty}A_{n}} ctp. Queremos usar el teorema de dominadas.

Obs: fnf_{n} son medibles ∀n\forall n por producto de medibles.

Sea

φ(x)=2⋅X[0,1]={2en [0,1]0en R∖[0,1]  ⟹  φ es integrable{\Large\varphi}(x)=2\cdot\mathcal{X}_{[0,1]} =\begin{cases} 2 & \text{en }[0,1] \\ 0 & \text{en } \mathbb{R}\setminus[0,1] \end{cases}\implies {\Large\varphi}\text{ es integrable}

Como φ(x)≥∣fn(x)∣{\Large\varphi}(x)\geq |f_{n}(x)| Pues ∣fn(x)∣≤∣1+(f(x))n∣≤1+∣(f(x))∣n≤1+1=2ctp|f_{n}(x)|\leq |1+(f(x))^{n}|\leq{1}+|(f(x))|^{n}\leq1+1=2\quad ctp, no acota ∀x,\forall x, pero vale igual.

Entonces por el teorema de convergencia dominada los fnf_{n} son todos integrables y ∫fn dμ⟶∫X⋂n=1∞An dμ=μ(⋂n=1∞An)\displaystyle \int_{} f_{n} \, d\mu\longrightarrow \int_{} \mathcal{X}_{\bigcap_{n=1}^{\infty}A_{n}} \, d\mu=\mu\left( \bigcap_{n=1}^{\infty}A_{n} \right)


Ejercicio 1

Sea (An)n∈N(A_{n})_{n\in \mathbb{N}} una sucesión de conjuntos medibles An⊆[0,1]A_{n} \subseteq [0,1] tal que An+1⊆An∀n∈NA_{n+1} \subseteq A_{n} \quad \forall n\in \mathbb{N}. Sea f:[0,1]→Rf:[0,1]\to \mathbb{R} integrable tal que 0≤f(x)<10 \leq f(x) < 1 c.t.p. Definimos la sucesión de funciones:

fn(x)=(1+(f(x))n)⋅XAn(x)f_{n}(x) = (1 + (f(x))^n)\cdot \mathcal{X}_{A_n}(x)

Probar que fnf_n es integrable ∀n∈N\forall n\in \mathbb{N} y que

lim⁡n→∞∫01fn dμ=μ(⋂n=1∞An)\lim_{n\to\infty} \int_{0}^{1} f_n \, d\mu = \mu\left( \bigcap_{n=1}^{\infty} A_n \right)

Solución

Si x∈⋂n=1∞Anx \in \bigcap_{n=1}^{\infty} A_n, entonces:

fn(x)=(1+(f(x))n)⋅XAn(x)⏟=1→1pues 0≤f(x)<1f_n(x) = (1 + (f(x))^n)\cdot \underbrace{\mathcal{X}_{A_n}(x)}_{=1} \to 1 \quad \text{pues } 0 \leq f(x) < 1

Como f(x)<1f(x) < 1 c.t.p., existe un conjunto EE con μ(E)=0\mu(E) = 0 tal que si x∈⋂An∖Ex \in \bigcap A_n \setminus E, se tiene fn(x)→1f_n(x) \to 1.

Por otro lado, si x∉⋂n=1∞Anx \notin \bigcap_{n=1}^{\infty} A_n, entonces ∃k∈N\exists k \in \mathbb{N} tal que x∉Akx \notin A_k. Como An+1⊆AnA_{n+1} \subseteq A_n, se tiene que x∉An∀n≥kx \notin A_n \quad \forall n \geq k, y por lo tanto:

fn(x)=0∀n≥k⇒fn(x)→0f_n(x) = 0 \quad \forall n \geq k \Rightarrow f_n(x) \to 0

Por lo tanto, fn(x)→X⋂n=1∞An(x)f_n(x) \to \mathcal{X}_{\bigcap_{n=1}^{\infty} A_n}(x) c.t.p.

Teorema aplicado: Convergencia Dominada de Lebesgue

Queremos usar el teorema de convergencia dominada. Notamos que fnf_n es medible ∀n\forall n, ya que es producto de funciones medibles.

Buscamos una función integrable que domine a todas las fnf_n. Sea:

φ(x)=2⋅X[0,1](x)={2si x∈[0,1]0si x∉[0,1]\varphi(x) = 2\cdot \mathcal{X}_{[0,1]}(x) = \begin{cases} 2 & \text{si } x \in [0,1] \\ 0 & \text{si } x \notin [0,1] \end{cases}

La función φ\varphi es integrable, ya que:

∫φ dμ=∫[0,1]2 dμ=2⋅μ([0,1])=2\int \varphi \, d\mu = \int_{[0,1]} 2 \, d\mu = 2\cdot\mu([0,1]) = 2

Además, para todo x∈[0,1]x \in [0,1]:

∣fn(x)∣≤1+∣f(x)∣n≤1+1=2|f_n(x)| \leq 1 + |f(x)|^n \leq 1 + 1 = 2

y para x∉[0,1]x \notin [0,1], fn(x)=0f_n(x) = 0. Por lo tanto, ∣fn(x)∣≤φ(x)|f_n(x)| \leq \varphi(x) c.t.p.

Aplicando el teorema de convergencia dominada:

∫fn dμ⟶∫X⋂n=1∞An dμ=μ(⋂n=1∞An)\int f_n \, d\mu \longrightarrow \int \mathcal{X}_{\bigcap_{n=1}^{\infty} A_n} \, d\mu = \mu\left( \bigcap_{n=1}^{\infty} A_n \right)

Ejercicio 2

Calcular lim⁡n→∞∫01n⋅sen(xn)x⋅(x2+1) dx\text{Calcular } \underset{ n\to \infty }{ \lim } \int_{0}^{1} \frac{n\cdot sen\left( \frac{x}{n} \right)}{x\cdot(x^{2}+1)} \, dx

Sol:Sol: Sea fn(x)=n⋅sen(xn)x⋅(x2+1)f_{n}(x)=\frac{n\cdot sen\left( \frac{x}{n} \right)}{x\cdot(x^{2}+1)} con fn:[0,1]→Rf_{n}:[0,1]\to \mathbb{R} Busquemos

lim⁡n→∞fn(x)=lim⁡n→∞n⋅sen(xn)x⋅(x2+1)=lim⁡n→∞sen(xn)xn⋅(x2+1)=1x2+1\underset{ n\to \infty }{ \lim } f_{n}(x)=\underset{ n\to \infty }{ \lim } \frac{n\cdot sen\left( \frac{x}{n} \right)}{x\cdot(x^{2}+1)}=\underset{ n\to \infty }{ \lim } \frac{sen\left( \frac{x}{n} \right)}{\frac{x}{n}\cdot(x^{2}+1)}=\frac{1}{x^{2}+1}

(fuera de x=0x=0, osea ctp ) fnf_{n} es continua ∀n∈N  ⟹  fn\forall n\in \mathbb{N}\implies f_{n} es medible ∀n∈N\forall n\in \mathbb{N}

∣fn(x)∣=n⋅∣sen(xn)∣x⋅(x2+1)≤n⋅xnx⋅(x2+1)=1x2+1∀n∈N,∀x∈(0,1]|f_{n}(x)|=\frac{n\cdot |sen\left( \frac{x}{n} \right)|}{x\cdot(x^{2}+1)}\leq \frac{n\cdot \frac{x}{n}}{x\cdot(x^{2}+1)}=\frac{1}{x^{2}+1}\quad \forall n\in \mathbb{N},\forall x \in(0,1]

  ⟹  11+x2\implies \frac{1}{1+x^{2}} es integrable, podemos usar el teorema de convergencia dominada.

  ⟹  lim⁡n→∞∫01n⋅sen(xn)x⋅(x2+1) dx=∫0111+x2 dx=tg−1(1)−tg−1(0)=π4−0=π4\implies \underset{ n\to \infty }{ \lim } \int_{0}^{1} \frac{n\cdot sen\left( \frac{x}{n} \right)}{x\cdot(x^{2}+1)} \, dx =\int_{0}^{1} \frac{1}{1+x^{2}} \, dx =tg ^{-1}(1)- tg ^{-1}(0)= \frac{\pi}{4}-0=\frac{\pi}{4}

Ejercicio 3

Calcular lim⁡n→∞∫0+∞n32⋅x2n32+n2⋅x4 dx\text{Calcular }\underset{ n\to \infty }{ \lim } \int_{0}^{+\infty} \frac{n^{\frac{3}{2}}\cdot x^{2} }{n^{\frac{3}{2}} +n^{2}\cdot x^{4} } \, dx

Sea fn(x)=n32⋅x2n32+n2⋅x4⟶n→∞0f_{n}(x)= \displaystyle \frac{n^{\frac{3}{2}}\cdot x^{2} }{n^{\frac{3}{2}} +n^{2}\cdot x^{4} }\underset{ n\to \infty }{ \longrightarrow } 0 (puntualmente)

∣fn(x)∣=fn(x)=n32⋅x2n32+n2⋅x4≤(1)n32⋅x2n2⋅x4=1n⋅x2≤1x2=φ(x)|f_{n}(x)|=f_{n}(x)=\frac{n^{\frac{3}{2}}\cdot x^{2} }{n^{\frac{3}{2}} +n^{2}\cdot x^{4} }\underset{ (1) }{ \leq } \frac{n^{\frac{3}{2}}\cdot x^{2} }{n^{2}\cdot x^{4} }=\frac{1}{\sqrt{ n }\cdot x^{2}}\leq \frac{1}{x^{2}}={\Large\varphi}(x)

(1) : n32+n2x4≥n2x4n^{\frac{3}{2}}+n^{2}x^{4}\geq n^{2}x^{4}

φ{\Large\varphi} es integrable?

∫0+∞x−2 dx=(−x−1)∣0+∞=lim⁡p→+∞,q→01q−1p=+∞\int_{0}^{+\infty} x^{-2} \, dx=\left.(-x ^{-1})\right|_{0}^{+\infty} =\underset{ p\to ^{+} \infty,q\to 0 }{ \lim }\frac{1}{q}-\frac{1}{p}=+\infty

  ⟹  φ\implies {\Large\varphi} no es integrable.

fn(x)=n32⋅x2n32+n2⋅x4≤n32x2n32=x2f_{n}(x)=\frac{n^{\frac{3}{2}}\cdot x^{2} }{n^{\frac{3}{2}} +n^{2}\cdot x^{4} }\leq \frac{n^{\frac{3}{2}} x^{2}}{n^{\frac{3}{2}} }=x^{2} Sea φ(x)={x2x∈[0,1]x−2x∈(1,+∞)\text{Sea }{\Large\varphi}(x)=\begin{cases} x^{2} & x \in[0,1] \\ x^{-2} & x \in(1,+\infty) \end{cases} φ(x)=x2⋅X[0,1]+x−2⋅X(1,+∞){\Large\varphi}(x)=x^{2}\cdot\mathcal{X}_{[0,1]} +x^{-2} \cdot\mathcal{X}_{(1,+\infty)}

  ⟹  φ\implies {\Large\varphi} es medible (e integrable, queda de ejercicio) Tenemos que φ{\Large\varphi} es integrable y fn(x)f_{n}(x) es medible ∀n\forall n porque es continua. Entonces (dominada)

Luego lim⁡n→∞∫0+∞n32⋅x2n32+n2⋅x4 dx=∫0+∞φ(x) dx=∫01x2 dx+∫1+∞x−2 dx=0\text{Luego }\underset{ n\to \infty }{ \lim } \int_{0}^{+\infty} \frac{n^{\frac{3}{2}}\cdot x^{2} }{n^{\frac{3}{2}} +n^{2}\cdot x^{4} } \, dx =\int_{0}^{+\infty} {\Large\varphi}(x) \, dx =\int_{0}^{1} x^{2} \, dx +\int_{1}^{+\infty} x^{-2} \, dx =0

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