#20Teoria de la medida

20 - Teoría de la medida II

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Tue-12-11-2024 10:10 profe: Nicolás Sirolli status: tags: Teoria de la medida


Recordar:

  1. M\mathcal{M} es la σ−aˊlgebra\sigma-álgebra "más chica" con:
    • I∈M∀II\in\mathcal{M}\quad\forall I intervalo abierto.
    • z∈M∀zz\in\mathcal{M}\quad\forall z nulo.
  2.  ∃ !μ:M→[0,+∞]\:\exists\:!\mu:\mathcal{M}\to[0,+\infty] tal que:
    • μ(a,b)=b−a\mu(a,b)=b-a
    • σ−\sigma-, σ−aditividad\sigma-aditividad
    • σ−regular\sigma-regular

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

Continuidad de la medidaSea (An)n∈N⊆M monoˊtona.1. Si A1⊂A2⊂⋯⊂An. Entonces μ(⋃n≥1An)=lim⁡n→∞μ(An)2. Si A1⊃A2⊃⋯⊃An, y ( ∃ n0)(μ(An0)<+∞). Entonces μ(⋂n≥1An)=lim⁡n→∞μ(An).\begin{array}{c} &\textbf{Continuidad de la medida} \\ &\text{Sea $( A_{n} )_{n \in \mathbb{N}}\subseteq\mathcal{M}$ monótona.}\\ &\text{1. Si $A_{1}\subset A_{2}\subset\dots \subset A_{n}$. }\\ &\text{Entonces $\mu\left( \bigcup_{n\geq 1}A_{n} \right)=\underset{ n \to \infty }{ \lim }\mu(A_{n})$}\\ &\text{2. Si $A_{1}\supset A_{2}\supset\dots \supset A_{n}$, y $(\:\exists\:n_{0})(\mu(A_{n_{0}})<+\infty)$. }\\ &\text{Entonces $\mu\left( \bigcap_{n\geq1}A_{n} \right)=\underset{ n \to \infty }{ \lim }\mu(A_{n})$.} \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} }

  1. Sean A~n\widetilde{A}_{n} dados por: A1~=A1,An~=An∖An−1(n≥2)\widetilde{A_{1}}=A_{1},\widetilde{A_{n}}=A_{n}\setminus A_{n-1}\quad(n\geq 2) Así:
Am~∩An~=∅ si n≠m,y⋃˙n=1NAn~=An\widetilde{A_{m}}\cap \widetilde{A_{n}}=\emptyset\:si\:n\neq m,y\quad \dot{\bigcup}_{n=1}^{N} \widetilde{A_{n}}=A_{n}

En particular

⋃nAn=⋃n˙An~\bigcup_{n}A_{n}=\dot{\bigcup_{n}}^{}\widetilde{A_{n}}

Por la σ−\sigma-Aditividad

μ(⋃nAn)=∑nμ(An~)=lim⁡N→∞∑n=1Nμ(An~)=lim⁡N→∞μ(AN)\mu\left( \bigcup_{n}A_{n} \right)=\sum_{n}\mu(\widetilde{A_{n}})=\lim_{ N \to \infty } \sum_{n=1}^{N} \mu(\widetilde{A_{n}})=\lim_{ N \to \infty } \mu(A_{N})
  1. Tomo Bn=An0∖AnB_{n}=A_{n_{0}}\setminus A_{n} Así, Bn⊆Bn+1B_{n}\subseteq B_{n+1}
⋃Bn=An0∖⋂An\bigcup B_{n}=A_{n_{0}}\setminus \bigcap A_{n}

Por prop. 1:

lim⁡n→∞μ(Bn)⏟μ(An0∖An)=μ(An0∖⋂An)\lim_{ n \to \infty } \underset{\mu(A_{n_{0}}\setminus A_{n})}{\underbrace{\mu(B_{n})}} =\mu\left( A_{n_{0}}\setminus \bigcap A_{n} \right)

Así,

lim⁡n→∞μ(A0)−μ(An)=μ(An0)−μ(⋂An)\lim_{ n \to \infty } \mu(A_{0})-\mu(A_{n})=\mu(A_{n_{0}})-\mu\left( \bigcap A_{n} \right) □\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,λ∈R  ⟹  λ+A∈M \begin{array}{l} \text{$A\in\mathcal{M},\lambda \in \mathbb{R}\implies\lambda+A\in\mathcal{M}$ } \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea f:R→R ∣ f(x)=λ+xf:\mathbb{R}\to \mathbb{R}\:|\:f(x)=\lambda+x Sea f(M):={λ+A:A⊆M}⊆P(R)f(\mathcal{M}):=\{ \lambda+A:A\subseteq\mathcal{M} \}\subseteq\mathcal{P}(\mathbb{R})

Ejercicio: f(M)f(\mathcal{M}) es σ−aˊlgebra\sigma-álgebra, pues ff es biyección. Objetivo: f(M)=Mf(\mathcal{M})=\mathcal{M}

  • II intervalo abierto   ⟺  f(I)\iff f(I) intervalo abierto   ⟺  f−1(I)\iff f^{-1}(I) intervalo abierto.
  • zz nulo   ⟺  Ejerciciof(z)\underset{Ejercicio}{\iff}f(z) nulo   ⟺  f−1(z)\iff f^{-1}(z) nulo. Así, ∀A\forall A abierto. Así, ∀A\forall A abierto o nulo:
f(M)∋f(f−1(A)⏟∈M)=Af(\mathcal{M})\ni f(\underset{\in \mathcal{M}}{\underbrace{f^{-1}(A)}} )=A ∴ μ es la mas chicaf(M)⊇M\underset{\text{$\mu$ es la mas chica}}{\therefore\: }f(\mathcal{M})\supseteq \mathcal{M}

Análogamente, f−1(M)⊇Mf^{-1}(\mathcal{M})\supseteq \mathcal{M}. Luego, aplicando f,M⊇f(M)f,\mathcal{M} \supseteq f(\mathcal{M}), de hecho son ==.


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

Invariante por traslacionA∈M,λ∈R. Entonces μ(A+λ)=μ(A) \begin{array}{l} \textbf{Invariante por traslacion} \\ \text{$A\in\mathcal{M},\lambda \in \mathbb{R}$. Entonces $\mu(A+\lambda)=\mu(A)$ } \end{array}

Dem:{\color{violet} \text{Dem:} } Defino ν:M→[0,+∞]\nu:\mathcal{M}\to[0,+\infty]

ν(A)=μ(A+λ)\nu(A)=\mu(A+\lambda)

Quiero ver que μ=ν\mu=\nu, basta ver que satisface lo que μ\mu

  • ν((a,b))=μ((a,b)+λ⏟(a+λ,b+λ))=(b+λ)−(a+λ)=b−a\nu((a,b))=\mu(\underset{(a+\lambda,b+\lambda)}{\underbrace{(a,b)+\lambda}})=(b+\lambda)-(a+\lambda)=b-a
  • σ−\sigma-subaditividad, σ−aditividad\sigma-aditividad: ej.
  • G−regularidadG-regularidad. Sea E>0\mathcal{E}>0. Como μ\mu es G−regG-reg,
 ∃ V⊇A+λ con μ(V∖A+λ)<E\:\exists\:V\supseteq A+\lambda\:con\:\mu(V\setminus A+\lambda)<\mathcal{E}

Pongo U=V+(−λ)U=V+(-\lambda), así U⊇AU\supseteq A y

ν(U∖A)=μ(λ+(V+(−λ)∖A))=μ(V∖A+λ)\nu(U\setminus A)=\mu(\lambda+(V+(-\lambda)\setminus A))=\mu(V\setminus A+\lambda)

El conjunto de Cantor

-> 00:00 Dado un intervalo I=a,bI=a,b. Sean L(I)=[a,a+b−a3]L(I)=\left[ a,a+\frac{b-a}{3} \right] ; R(I)=[b−b−a3,b]R(I)=\left[ b-\frac{b-a}{3},b \right] Consideramos Fn\mathcal{F}_{n} dado por:

  1. F1={[0,1]}\mathcal{F}_{1}=\{ [0,1] \}
  2. Fn+1=⋃I∈In{L(I),R(I)}\mathcal{F}_{n+1}=\bigcup_{I\in I_{n}}\{ L(I),R(I) \} Así, por ejemplo:
  • F2={[0,13],[23,1]}\mathcal{F}_{2}=\left\{ \left[ 0, \frac{1}{3} \right],\left[ \frac{2}{3},1 \right] \right\}
  • F3={[0,19],[29,39],[69,79],[89,1]}\mathcal{F}_{3}=\left\{ \left[ 0,\frac{1}{9} \right],\left[ \frac{2}{9},\frac{3}{9} \right],\left[ \frac{6}{9},\frac{7}{9} \right],\left[ \frac{8}{9},1 \right] \right\}

Sea Jn=⋃I∈FnInJ_{n}=\bigcup_{I\in\mathcal{F}_{n}}I_{n} es cerrado(unión finita de cerrados)


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

El conjunto de Cantor es C=⋂n≥1Jn⊆[0,1]\begin{array}{l} \text{El conjunto de Cantor es } \\ C=\bigcap_{n\geq 1}J_{n}\subseteq[0,1] \end{array}

Obs:Obs:

Jn⊇Jn+1J_{n}\supseteq J_{n+1}

Así:

  • CC es cerrado, en particular C∈MC\in\mathcal{M} (es medible)
  • C0=∅C^{0}=\emptyset y C′=CC'=C (perfecto).
  • CC es nulo:
μ(C)≤μ(Jn)≤2n−1⏟#Jn.13n−1⏟long(In)→n→+∞0\mu(C)\leq \mu(J_{n})\leq \underset{\#J_{n}}{\underbrace{2^{n-1}}} .\underset{long(I_{n})}{\underbrace{\frac{1}{3^{n-1} }}} \underset{n\to +\infty}{\to } 0

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

#C=c\#C=c

Más aún, φ:C→{0,2}N ∣ φ(x)=(xn)n∈N\varphi:C\to \{ 0,2 \}^{\mathbb{N}}\:|\:\varphi(x)=( x_{n} )_{n \in \mathbb{N}} dada por Si x∈I∈Fn−1x \in I\in\mathcal{F}_{n-1}

xn={0x∈L(I)2x∈R(I)x_{n}=\begin{cases} 0 & x \in L(I) \\ 2 & x \in R(I) \end{cases}

es biyectiva.

-->21:20

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Defino Ψ:{0,2}N→C\varPsi:\{ 0,2 \}^{\mathbb{N}}\to C. Así, dada (xn)n⊆{0,2}N(x_{n})_{n}\subseteq \{ 0,2 \}^{\mathbb{N}} tomo:

In+1={L(In)xn=0R(In)xn=2I_{n+1}=\begin{cases} L(I_{n}) & x_{n}=0 \\ R(I_{n}) & x_{n}=2 \end{cases}

Así, In∈Fn∀nI_{n}\in\mathcal{F}_{n}\quad\forall n Ponemos Ψ((xn)n)=x,\varPsi((x_{n})_{n})=x, con {x}=⋂nIn\{ x \}=\bigcap_{n}I_{n} (existe xx por teorema de la intersección de Cantor)


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

E∈M, Sea p:E→{V,F} Decimos que p se cumple en casi todo punto de E siμ({x∈E:p(x)=F})=0\begin{array}{l} \text{$E\in\mathcal{M}$, Sea $p:E\to \{ V,F \}$ }\\ \text{Decimos que $p$ se cumple en casi todo punto de $E$ si}\\ \mu(\{ x \in E:p(x)=F \})=0 \end{array}

Not:Not:

  • p(x) para casi todo x∈Ep(x) \text{ para casi todo } x\in E
  • p(x) c.t.p. x∈Ep(x)\:c.t.p.\:x \in E o p(x) a.e.p(x)\:a.e. (almost everywhere)
  • x∈E,p(x) p.p.x∈Ex \in E,p(x)\:p.p.x \in E (Francés)

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

E⊆R su funcioˊn caracterıˊstica es XE:R→{0,1} XE(x)={1x∈E0x∉E\begin{array}{l} \text{$E\subseteq \mathbb{R}$ su función característica es $\mathcal{X}_{E}:\mathbb{R}\to \{ 0,1 \}$ }\\ \mathcal{X}_{E}(x)=\begin{cases} 1 & x \in E \\ 0 & x \not\in E \end{cases} \end{array}

Ejemplo:Ejemplo:

XC(x)=0p.p. x∈[0,1]\mathcal{X}_{C}(x)=0\quad p.p.\:x \in[0,1] pues {x∈[0,1]:XC(x)≠0}=C\{ x \in[0,1]:\mathcal{X}_{C}(x)\neq0 \}=C es nulo.

No es porque se cumple para todo salvo finitos o numerable, sino que son algo de un conjunto de medida 0. El ejemplo es este que se acaba de dar: el conjunto de Cantor no es numerable y y tiene medida nula


Citas y Comentarios

Franks, 3.1

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