#19Teoria de la medida

19 - Teoría de la medida I

20 min de lectura

Thu-07-11-2024 08:52 profe: Nicolás Sirolli status: tags: Teoria de la medida


Medida de Lebesgue


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea A⊆R. Decimos que es nulo si ∀E>0 ∃ (In)n∈N familia de intervalos abiertos tal que:1. A⊆⋃n∈NIn2. ∑n∈Nlong(In)<E\begin{array}{l} \text{Sea $A\subseteq \mathbb{R}$. } \\ \text{Decimos que es nulo si $\forall \mathcal{E}>0\:\exists\:(I_{n})_{n \in \mathbb{N}}$ familia de intervalos abiertos tal que:}\\ \text{1. $A\subseteq \bigcup_{n \in \mathbb{N}}I_{n}$}\\ \text{2. $\sum_{n \in \mathbb{N}}long(I_{n})<\mathcal{E}$} \end{array} Dondelong(In)={b−ab≥a0b<aDonde \quad long(I_{n})=\begin{cases} b-a & b\geq a \\ 0 & b<a \end{cases}

Ejemplo:Ejemplo:

Sea A={x0}A=\{ x_{0} \} es nulo. Sea E>0\mathcal{E}>0, tomo A2=(x0−E2,x0+E2),An=∅∀n≥2A_{2}=\left( x_{0}-\frac{\mathcal{E}}{2},x_{0}+\frac{\mathcal{E}}{2} \right),A_{n}=\emptyset \quad\forall n\geq2


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Si A es contable   ⟹   A es nulo.\begin{array}{l} \text{Si $A$ es contable $\implies$ $A$ es nulo.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea A={an}n∈NA=\{ a_{n} \}_{n\in \mathbb{N}}. Dado E>0\mathcal{E}>0 , tomo B(an,E2n+3)⏟In  ⟹  A⊆⋃n∈NIn\underset{I_{n}}{\underbrace{B\left( a_{n},\frac{\mathcal{E}}{2^{n+3}} \right)}}\implies A\subseteq \bigcup_{n \in \mathbb{N}}I_{n} y

∑n∈Nlong(In)=∑n∈NE2n+2=E4∑n∈N12n=E2<E\sum_{n\in \mathbb{N}}long(I_{n})=\sum_{n\in \mathbb{N}}\frac{\mathcal{E}}{2^{n+2}}=\frac{\mathcal{E}}{4}\sum_{n\in \mathbb{N}} \frac{1}{2^{n} } =\frac{\mathcal{E}}{2}<\mathcal{E} □\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Sean (An)n∈N nulos, entonces ⋃n∈NAn=A es nulo.\begin{array}{l} \text{Sean $(A_{n})_{n\in \mathbb{N}}$ nulos, entonces $\bigcup_{n\in \mathbb{N}}A_{n}=A$ es nulo.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea E>0\mathcal{E}>0, como (An)n∈N( A_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es nulo  ∃ (In,m)m\:\exists\:(I_{n,m})_{m} intervalos abiertos con ∑mlong(In,m)<E2m+1\sum_{m}long(I_{n,m})<\frac{\mathcal{E}}{2^{m+1}}
Así, A⊆⋃m,n∈N×NIn,mA\subseteq \underset{{m,n\in \mathbb{N}\times \mathbb{N}}}{\bigcup}I_{n,m} y ∑n∈Nlong(In,m)=∑n∈N∑m∈Nlong(In,m)⏟<E2m+1≤∑n∈NE2m+1=E2<E\sum_{n\in \mathbb{N}}long(I_{n,m})=\sum_{n\in \mathbb{N}}\underset{<\frac{\mathcal{E}}{2^{m+1}}}{\underbrace{\sum_{m\in \mathbb{N}}long(I_{n,m})}}\leq \sum_{n\in \mathbb{N}}\frac{\mathcal{E}}{2^{m+1}}=\frac{\mathcal{E}}{2}<\mathcal{E}

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

X conjunto A⊆P(X) es una σ−aˊlgebra si:1. X∈A 2. A∈A  ⟹  Ac∈A3. An∈A  ⟹  ⋃n∈NAn∈A \begin{array}{l} \text{$X$ conjunto $\mathcal{A}\subseteq\mathcal{P}(X)$ es una $\sigma-$álgebra si:}\\ \text{1. $X \in \mathcal{A}$ }\\ \text{2. $A\in\mathcal{A}\implies A^{c}\in\mathcal{A}$}\\ \text{3. $A_{n}\in\mathcal{A}\implies \bigcup_{n\in \mathbb{N}}A_{n}\in\mathcal{A}$ } \end{array}

Ejemplo:Ejemplo:

Fijo X:X:

  1. A=P(X)\mathcal{A}=\mathcal{P}(X) es una σ−\sigma-álgebra.
  2. A={X,∅}\mathcal{A}=\{ X,\emptyset \} es una σ−\sigma-álgebra.
  3. Sea B⊆XB\subseteq X entonces A={X,∅,B,X∖B}\mathcal{A}=\{ X,\emptyset,B,X\setminus B \} es una σ−\sigma-álgebra.
  4. A={B⊆X:#B≤ℵ0 ∨ #(X∖B)≤ℵ0}\mathcal{A}=\{ B\subseteq X:\#B\leq \aleph_0\:\lor\:\#(X\setminus B)\leq \aleph_0 \} es una σ−\sigma-álgebra.

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea B⊆P(X). La σ−aˊlgebra generada por B es A=⋂B⊆A′,A′ σ−aˊlg.A′\begin{array}{l} \text{Sea $B\subseteq\mathcal{P}(X)$. La $\sigma-álgebra$ generada por $B$ es }\\ \mathcal{A}=\underset{B\subseteq A',A'\:\sigma-álg.}{\bigcap}A' \end{array}

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

La σ−aˊlgebra de Lebesgue es la generado por B={(a,b):a,b∈R}∪{A⊆R:A es nulo}y la notamos con M.\begin{array}{l} \text{La $\sigma-álgebra$ de Lebesgue es la generado por $B=\{ (a,b):a,b\in \mathbb{R} \}\cup \{ A\subseteq \mathbb{R}:A\text{ es nulo} \}$}\\ \text{y la notamos con $\mathcal{M}$.} \end{array}

Obs:Obs: Están los abiertos, los nulos, los cerrados y:


Ejemplos:Ejemplos:
  1. [a,b)={a}∪(a,b)[a,b)=\{ a \}\cup (a,b)
  2. R∖N∈M\mathbb{R}\setminus \mathbb{N}\in\mathcal{M} pues N\mathbb{N} es nulo   ⟹  ∈M\implies \in\mathcal{M}
  3. ⋃n∈N[n,n+12n)∈M\bigcup_{n\in \mathbb{N}}\left[ n,_{n}+\frac{1}{2^{n}} \right)\in\mathcal{M}

Obs:Obs: M≠P(R)\mathcal{M}\neq \mathcal{P}(\mathbb{R}) , el conjunto de Vitali.


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

1. G∈M∀G⊆R abierto.2. F∈M∀F⊆R cerrado.\begin{array}{l} \text{1. $G\in\mathcal{M}\quad\forall G\subseteq \mathbb{R}$ abierto.}\\ \text{2. $F\in\mathcal{M}\quad\forall F\subseteq \mathbb{R}$ cerrado.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } 1. Vimos que si GG es abierto  ∃ (In)n\:\exists\:(I_{n})_{n} con InI_{n} intervalos abiertos tal que G=⋃n∈NInG=\bigcup_{n\in \mathbb{N}}I_{n}. 2. F=R∖(R∖F)⏟G∈M por 1  ⟹  F∈MF=\mathbb{R}\setminus \underset{G\in\mathcal{M}\:por\:1}{\underbrace{(\mathbb{R}\setminus F)}}\implies F\in\mathcal{M}

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Sean A,B∈A,con A σ−aˊlgebra:1. A∪B∈M 2. Si An∈M∀n∈N  ⟹  ⋂n∈NAn∈M3. A⋂B∈M. \begin{array}{l} \text{Sean $A,B\in\mathcal{A},con\:\mathcal{A}\:\sigma-álgebra$:}\\ \text{1. $A\cup B\in\mathcal{M}$ }\\ \text{2. Si $A_{n}\in\mathcal{M}\quad\forall n\in \mathbb{N}\implies \bigcap_{n\in \mathbb{N}}A_{n}\in\mathcal{M}$}\\ \text{3. $A\bigcap B\in\mathcal{M}$. } \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } 1. A∪B=⋃n∈NAnA\cup B=\bigcup_{n\in \mathbb{N}}A_{n}, con A1=A,A2=BA_{1}=A,A_{2}=B y An=∅∀n≥3A_{n}=\emptyset \quad\forall n\geq3. 2. Sea C=⋂n∈NAnC=\bigcap_{n\in \mathbb{N}}A_{n}, basta ver que X∖C∈A  ⟹  X∖C=⋃n∈NX∖An⏟∈A⏟∈AX\setminus C\in\mathcal{A}\implies X\setminus C=\underset{\in\mathcal{A}}{\underbrace{\bigcup_{n\in \mathbb{N}}\underset{\in\mathcal{A}}{\underbrace{X\setminus A_{n}}}}}

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Not/Def. :{\color{Cyan} \text{Not/Def. :} }

[0,+∞]=[0,+∞)∪{+∞}, extendiendo +,∗ en [0,+∞] tal que:1. a<+∞∀a∈[0,+∞)2. a+(+∞)=+∞∀a∈[0,+∞]3. a.(+∞)=+∞∀a∈(0,+∞]4. 0.(+∞)=0 \begin{array}{l} \text{$[0,+\infty]=[0,+\infty)\cup \{ +\infty \},$ extendiendo $+,*$ en $[0,+\infty]$ tal que:}\\ \text{1. $a<+\infty \quad\forall a\in[0,+\infty)$}\\ \text{2. $a+(+\infty)=+\infty \quad\forall a\in[0,+\infty]$}\\ \text{3. $a.(+\infty)=+\infty \quad\forall a\in(0,+\infty]$}\\ \text{4. $0.(+\infty)=0\quad$ } \end{array}


Teorema :{\color{violet} \text{Teorema :} }

Teorema de Lebesgue ∃ !μ:M→[0,+∞] tal que:1. μ((a,b))=b−a si a,b∈R y a<b.2. μ(⋃An)≤∑μ(An)∀An∈M3. ∀A∈M,∀E>0, ∃ G⊇A con G abierto con μ(G∖A)<E (σ -regularidad) \begin{array}{l} \textbf{Teorema de Lebesgue} \\ \text{$\:\exists\:!\mu:\mathcal{M}\to[0,+\infty]$ tal que:}\\ \text{1. $\mu((a,b))=b-a$ si $a,b\in \mathbb{R}$ y $a<b$.}\\ \text{2. $\mu\left( \bigcup A_{n} \right)\leq \sum \mu(A_{n})\quad\forall A_{n}\in \mathcal{M}$}\\ \text{3. $\forall A\in\mathcal{M},\forall\mathcal{E}>0,\:\exists\:G\supseteq A$ con $G$ abierto con $\mu(G\setminus A)<\mathcal{E}$ ($\sigma$ -regularidad) } \end{array}

En 2. vale la igualdad si los AnA_{n} son disjuntos 2 a 2 (σ−\sigma-aditividad).


Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

μ(∅)=0\mu(\emptyset)=0

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

(0,1)↓μ=(0,1)∪˙↓μ(⋃n≥2∅) por la σ-aditividad \underset{\downarrow\mu}{(0,1)}=(0,1)\underset{\downarrow\mu}{\dot{\cup}}\left( \bigcup_{n\geq 2}\emptyset \right)\text{ por la $\sigma$-aditividad } 1=1+∑n≥2μ(∅)  ⟺  ∑μ(∅)=0  ⟺  μ(∅)=01 = 1+\sum_{n\geq 2}\mu(\emptyset)\iff \sum \mu(\emptyset)=0\iff \mu(\emptyset)=0 □\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

Sean A,B∈M.1. μ(A∪B)=μ(A)+μ(B) si A∩B=∅ (aditividad).2. μ(A)≤μ(B)  ⟺  A⊆B (monotonıˊa).\begin{array}{l} \text{Sean $A,B \in\mathcal{M}$.}\\ \text{1. $\mu(A\cup B)=\mu(A)+\mu(B)$ si $A\cap B=\emptyset$ (aditividad).}\\ \text{2. $\mu(A)\leq \mu(B)\iff A\subseteq B$ (monotonía).} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } 1. A∪B=A∪˙B∪˙(⋃n≥2∅)A\cup B=A\dot{\cup}B\dot{\cup}\left( \bigcup_{n\geq_{2}}\emptyset \right) 2. μ(B)=μ(B∖A)⏟∈[0,+∞]+μ(A)\mu(B)=\underset{\in[0,+\infty]}{\underbrace{\mu(B\setminus A)}}+\mu(A) Si μ(B)=+∞\mu(B)=+\infty, listo. Si μ(B)<+∞\mu(B)<+\infty, son todos finitos y listo.

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

A es nulo   ⟺  μ(A)=0\begin{array}{l} \text{$A$ es nulo $\iff \mu(A)=0$} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } ⇒){\color{orange} \Rightarrow) } Sea E>0, ∃ (In)n\mathcal{E}>0,\:\exists\:(I_{n})_{n} abiertos tal que A⊆⋃n∈NInA\subseteq \bigcup_{n\in \mathbb{N}}I_{n} y ∑n∈Nlong(In)<E\sum_{n\in \mathbb{N}}long(I_{n})<\mathcal{E}. Entonces

μ(A)≤monotonıˊaμ(⋃In)≤σ−aditividad∑μ(In)=∑long(In)<E∀E>0\mu(A)\underset{\text{monotonía}}{\leq }\mu\left( \bigcup I_{n} \right)\underset{\sigma-aditividad}{\leq }\sum \mu(I_{n})=\sum long(I_{n})<\mathcal{E}\quad \forall\mathcal{E}>0

  ⟹  μ(A)=0\implies \mu(A)=0

⇐){\color{orange} \Leftarrow) } μ(A)=0.\mu(A)=0. Sea E>0\mathcal{E}>0, tomo G⊇AG\supseteq A abierto con μ(G∖A)<E\mu(G\setminus A)<\mathcal{E}. Así, como G=(G∖A)∪A.G=(G\setminus A)\cup A. Como μ(A)=0,\mu(A)=0, entonces μ(G)=μ(G∖A)<E\mu(G)=\mu(G\setminus A)<\mathcal{E}. Vimos que G=⋃InG=\bigcup I_{n} intervalos abiertos disjuntos 2 a 2. Así, A⊆⋃InA\subseteq \bigcup I_{n} y ∑long(In)=μ(G)<E\sum long(I_{n})=\mu(G)<\mathcal{E}

□\quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \quad \square

Prop. :{\color{Orange} \text{Prop. :} }

∀A∈M y ∀E>0, ∃ F⊆A cerrado con μ(A∖F)<E.\begin{array}{l} \text{$\forall A\in\mathcal{M}$ y $\forall\mathcal{E}>0,\:\exists\:F\subseteq A$ cerrado con $\mu(A\setminus F)<\mathcal{E}$.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} }

Se dejó como ejercicio.


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