#21Teoria de la medida

21 - Teoría de la medida III

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Thu-14-11-2024 09:00 profe: Nicolás Sirolli status: tags: Teoria de la medida


Funciones medibles

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

E⊆R. Una funcioˊn f:E→R se dice simple siE=⋃˙i=1nαi.χEi(x) i.e. f(x)=αi∀x∈Ei Si Ei∈M ∀i, decimos que f es simple medible \begin{array}{l} \text{$E\subseteq \mathbb{R}$. Una función $f:E\to \mathbb{R}$ se dice simple si}\\ E=\dot{\bigcup}_{i=1}^{n}\alpha_{i}.\chi_{E_{i}}(x) \text{ i.e. $f(x)=\alpha_{i}\quad\forall x\in E_{i}$ }\\ \text{Si $E_{i}\in\mathcal{M}\:\forall i$, decimos que $f$ es simple medible } \end{array}

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

f es simple   ⟺  Im(f) es finito\begin{array}{l} \text{$f$ es simple $\iff \mathrm{Im}(f)$ es finito} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } ⇒)\Rightarrow)

Im(f)={α1,…,αn}Im(f)=\{ \alpha_{1},\dots,\alpha _{n} \}

⇐)\Leftarrow)

Im(f)={α1,…,αn},con ai≠aj si i≠jIm(f)=\{ \alpha_{1},\dots,\alpha _{n} \},con\:a_{i}\neq a_{j}\:si\:i\neq j

Defino Ei=f−1({αi}).E_{i}=f^{-1}(\{ \alpha_{i} \}). Así f(x)=∑i=1nαi.χEi(x)f(x)=\sum_{i=1}^{n}\alpha_{i}.\chi_{E_{i}}(x) Además, ai≠aj  ⟹  Ei⋂Ej=∅a_{i}\neq a_{j}\implies E_{i}\bigcap E_{j}=\emptyset


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

f,g simples. Entonces:1. f+g simple2. α.f simple ∀α∈R\begin{array}{l} \text{$f,g$ simples. Entonces:}\\ \text{1. $f+g$ simple}\\ \text{2. $\alpha.f$ simple $\forall \alpha \in \mathbb{R}$} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Usar prop. anterior.


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

R‾=[−∞,+∞]=R∪{−∞,+∞}, extendemos +,.,≤,lim excepto (±∞)+(±∞)\begin{array}{l} \text{$\overline{\mathbb{R}}=[-\infty,+\infty]=\mathbb{R}\cup \{ -\infty,+\infty \}$, extendemos $+,.,\leq,lim$ excepto $(\pm \infty)+(\pm \infty)$} \end{array}

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

E∈M,f:E→R es medible si ∀a∈RE⊇f−1([−∞,a])={f≤a}={x∈E:f(x)≤a}∈M \begin{array}{l} \text{$E\in\mathcal{M},f:E\to \mathbb{R}$ es medible si $\forall a\in \mathbb{R}$}\\ \text{$E\supseteq f^{-1}([-\infty,a])=\{ f\leq a \}=\{ x \in E:f(x)\leq a \}\in\mathcal{M}$ } \end{array}

Ejemplos:Ejemplos:
  1. f:I→Rf:I\to \mathbb{R} continua, II intervalo.
  2. f:I→R‾f:I\to \overline{\mathbb{R}} monótona, II intervalo.

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

A⊆R,A∈M  ⟺  χA es medible.\begin{array}{l} \text{$A\subseteq \mathbb{R},A\in\mathcal{M}\iff \chi_{A}$ es medible.} \end{array}

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

{χA≤a}={Ra≥1R∖A0≤a<1\{ \chi_{A}\leq a \}=\begin{cases} \mathbb{R} & a\geq 1 \\ \mathbb{R}\setminus A & 0\leq a<1 \end{cases}

Lema {\color{green} \text{Lema } }

E∈M,f:E→R‾, son equivalentes:1. f medible.2. {f<a}∈M ∀a∈R 3. {f≥a}∈M ∀a∈R 4. {f>a}∈M ∀a∈R \begin{array}{l} \text{$E\in\mathcal{M},f:E\to \overline{\mathbb{R}}$, son equivalentes:}\\ \text{1. $f$ medible.}\\ \text{2. $\{ f<a \}\in\mathcal{M}$ $\forall a \in \mathbb{R}$ }\\ \text{3. $\{ f\geq a \}\in\mathcal{M}$ $\forall a\in \mathbb{R}$ }\\ \text{4. $\{ f>a \}\in\mathcal{M}$ $\forall a\in \mathbb{R}$ } \end{array}

Dem:{\color{green} \text{Dem:} } 1)⇒2)1)\Rightarrow2)

{f<a}=⋃n∈N{f≤a−1n}⏟∈M\{ f<a \}=\bigcup_{n\in \mathbb{N}}\underset{\in\mathcal{M}}{\underbrace{\left\{ f\leq a-\frac{1}{n} \right\}}}

Es decir, f(x)<a  ⟺   ∃ n∈N ∣ f(x)≤a−1nf(x)<a\iff \:\exists\:n\in \mathbb{N}\:|\:f(x)\leq a-\frac{1}{n} Luego, {f<a}∈M\{ f<a \}\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. :} }

f,g medibles.1. f+g medible (si estaˊ bien definida).2. f.g medible.3. α.f medible ∀α∈R \begin{array}{l} \text{$f,g$ medibles.}\\ \text{1. $f+g$ medible (si está bien definida).}\\ \text{2. $f.g$ medible.}\\ \text{3. $\alpha.f$ medible $\forall \alpha \in \mathbb{R}$ } \end{array}

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

Veamos (1)(1). Cuando f,g:E→Rf,g:E\to \mathbb{R} Sea a∈Ra\in \mathbb{R}, ¿{f+g<a}∈M?¿\{ f+g<a \}\in\mathcal{M}?

f(x)+g(x)<a  ⟺  f(x)<a−g(x)  ⟺  ( ∃ q∈Q)f(x)<qyq<a−g(x)f(x)+g(x)<a\iff f(x)<a-g(x)\iff(\:\exists\:q\in \mathbb{Q})\quad f(x)<q\quad y\quad q<a-g(x)

Así,

{f+g<a}=⋃q∈Q({f<q}⏟∈M∩{g<a−q}⏟∈M)∈M\{ f+g<a \}=\bigcup_{q\in \mathbb{Q}}\left( \underset{\in\mathcal{M}}{\underbrace{\{ f<q \}}} \cap \underset{\in \mathcal{M}}{\underbrace{\{ g<a-q \}}} \right)\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

Corolario :{\color{Red} \text{Corolario }:}

Toda funcioˊn simple medible es medible.\begin{array}{l} \text{Toda función simple medible es medible.} \end{array}

Ejemplos (continuacion):Ejemplos\: (continuacion):
  1. χC\chi_{C} es medible (CC Cantor)
  2. χV\chi_{V} no es medible (VV Vitali)

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

fn:E→R‾,f:E→R‾. Si las fn son medibles y f(x)=lim⁡n→∞fn(x) entonces f es medible.\begin{array}{l} \text{$f_{n}:E\to \overline{\mathbb{R}},f:E\to \overline{\mathbb{R}}$. Si las $f_{n}$ son medibles y $f(x)=\lim_{ n \to \infty }f_{n}(x)$ entonces $f$ es medible.} \end{array}

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

Sea x∈Ex \in E, f(x)>af(x)>a . Como fn(x)→f(x), ∃ m,N∈N ∣ fn(X)>a+1m∀n≥Nf_{n}(x)\to f(x),\:\exists\:m,N\in \mathbb{N}\:|\:f_{n}(X)>a+\frac{1}{m}\quad\forall n\geq N. Es decir:

{f>a}=⋃m⋃N⋂n≥N{fn>a+1n}⏟∈M⏟∈M⏟∈M\{ f>a \}=\underset{\in\mathcal{M}}{\underbrace{\bigcup_{m}\underset{\in\mathcal{M}}{\underbrace{\bigcup_{N}\bigcap_{n\geq N}\underset{\in\mathcal{M}}{\underbrace{\left\{ f_{n}>a+\frac{1}{n} \right\}}} }} }}

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

f:E→[0,+∞] medible.  ∃ fn:E→[0,+∞) simples medibles con fn↗conv. crec.f . i.e. fn(x)→f(x),fn(x)≤fn+1(x) Maˊs auˊn, si f es acotada se tiene converge uniformemente.\begin{array}{l} \text{$f:E\to[0,+\infty]$ medible. $\:\exists\:f_{n}:E\to[0,+\infty)$ simples medibles con $f_{n}\underset{\text{conv. crec.}}{\nearrow} f$ . }\\ \text{i.e. $f_{n}(x)\to f(x),f_{n}(x)\leq f_{n+1}(x)$ }\\ \text{Más aún, si $f$ es acotada se tiene converge uniformemente.} \end{array}

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