G8-E15

[!infobox] Proposición: Invarianza de la Medida bajo Dilatación Contexto: Propiedades de la Medida de Lebesgue Enunciado: Sea ARA \subseteq \mathbb{R} un conjunto medible y cRc \in \mathbb{R}.

  1. El conjunto cA={ca:aA}cA = \{ca : a \in A\} es medible.
  2. Su medida escala linealmente con el valor absoluto de cc:
μ(cA)=cμ(A)\mu(cA) = |c|\mu(A)

Advertencia/Clave: La prueba se basa en la definición de Medida Exterior (μ\mu^*) y cómo la longitud de los intervalos se ve afectada por un escalar ((cI)=c(I)\ell(cI) = |c|\ell(I)).

Demostración:

Caso 1: c=0c = 0 cA={0}cA = \{0\}. Todo conjunto finito tiene medida nula. μ({0})=0=0μ(A)\mu(\{0\}) = 0 = 0 \cdot \mu(A). Se cumple trivialmente.

Caso 2: c0c \neq 0

(a) Medibilidad de cAcA Como AMA \in \mathcal{M}, por el Teorema de Estructura, existe un conjunto FF (unión numerable de cerrados) y un conjunto nulo ZZ tal que A=FZA = F \cup Z. Entonces cA=cFcZcA = cF \cup cZ.

  1. La función f(x)=cxf(x) = cx es un homeomorfismo de R\mathbb{R}. Mapea conjuntos cerrados a cerrados (y uniones numerables a uniones numerables). Por tanto, cFcF es Borel-medible.
  2. Para ZZ, si μ(Z)=0\mu(Z)=0, para todo ε>0\varepsilon > 0 existe una cubierta de intervalos {In}\{I_n\} tal que (In)<ε/c\sum \ell(I_n) < \varepsilon/|c|. La colección {cIn}\{cI_n\} cubre a cZcZ y tiene longitud total c(In)=c(In)<ε\sum |c|\ell(I_n) = |c|\sum \ell(I_n) < \varepsilon.     μ(cZ)=0\implies \mu(cZ) = 0.
  3. La unión de un Borel y un Nulo es Lebesgue-medible. cAM\therefore cA \in \mathcal{M}.

(b) y (c) Cálculo de la Medida Sea {In}nN\{I_n\}_{n \in \mathbb{N}} una colección de intervalos abiertos que cubren a AA. Entonces {cIn}nN\{cI_n\}_{n \in \mathbb{N}} es una colección de intervalos abiertos que cubren a cAcA.

La relación de longitud para un intervalo I=(a,b)I=(a,b) es:

(cI)=cbca=c(ba)=c(I)\ell(cI) = |cb - ca| = |c(b-a)| = |c|\ell(I)

Por definición de medida exterior (que coincide con la medida pues ya probamos medibilidad):

μ(cA)=inf{n=1(Jn):cAJn}=inf{n=1(cIn):AIn}(Biyeccioˊn entre cubiertas)=inf{n=1c(In):AIn}=cinf{n=1(In):AIn}=cμ(A)\begin{aligned} \mu(cA) &= \inf \left\{ \sum_{n=1}^{\infty} \ell(J_n) : cA \subseteq \bigcup J_n \right\} \\ &= \inf \left\{ \sum_{n=1}^{\infty} \ell(cI_n) : A \subseteq \bigcup I_n \right\} \quad \text{(Biyección entre cubiertas)} \\ &= \inf \left\{ \sum_{n=1}^{\infty} |c|\ell(I_n) : A \subseteq \bigcup I_n \right\} \\ &= |c| \inf \left\{ \sum_{n=1}^{\infty} \ell(I_n) : A \subseteq \bigcup I_n \right\} \\ &= |c|\mu(A) \end{aligned}

Conclusión:

  • Si c>0c > 0, μ(cA)=cμ(A)\mu(cA) = c\mu(A).
  • Si c<0c < 0, μ(cA)=cμ(A)=cμ(A)\mu(cA) = -c\mu(A) = |c|\mu(A).
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Escalamiento y medida de Lebesgue

Sea (R,M,μ)(\mathbb{R},\mathcal{M},\mu) el espacio de Lebesgue y, para cRc\in\mathbb{R} y ARA\subset\mathbb{R}, definimos

cA:={cx:xA}.cA := \{cx : x \in A\}.

(a) Si AMA \in \mathcal{M} entonces cAMcA \in \mathcal{M}

Sea cRc\in\mathbb{R} fijo y consideremos la aplicación

T:RR,T(x)=cx.T:\mathbb{R}\to\mathbb{R}, \qquad T(x)=cx.

Para todo x,yRx,y\in\mathbb{R} se cumple

T(x)T(y)=cxy.|T(x)-T(y)| = |c|\,|x-y|.

Luego TT es Lipschitz, en particular continua y por lo tanto medible. Como la imagen de un conjunto medible por una función medible es medible, se tiene

T(A)M.T(A)\in\mathcal{M}.

Pero T(A)=cAT(A)=cA, luego cAMcA\in\mathcal{M}.

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(b) Si c>0c>0, entonces μ(cA)=cμ(A)\mu(cA)=c\,\mu(A)

La demostración se realiza en tres pasos.

Paso 1: Intervalos

Sea I=(a,b)I=(a,b) un intervalo abierto. Entonces

cI=(ca,cb),cI=(ca,cb),

y su longitud es

(cI)=cbca=c(ba)=c(I).\ell(cI)=cb-ca=c(b-a)=c\,\ell(I).

Como la medida de Lebesgue coincide con la longitud en intervalos,

μ(cI)=cμ(I).\mu(cI)=c\,\mu(I).

Paso 2: Conjuntos abiertos

Sea URU\subset\mathbb{R} un conjunto abierto. Existe una familia numerable de intervalos abiertos disjuntos (In)nN(I_n)_{n\in\mathbb{N}} tal que

U=n=1In.U=\bigsqcup_{n=1}^{\infty} I_n.

Como c>0c>0, los conjuntos cIncI_n son intervalos abiertos disjuntos y

cU=n=1cIn.cU=\bigsqcup_{n=1}^{\infty} cI_n.

Usando la σ\sigma-aditividad de μ\mu y el Paso 1:

μ(cU)=n=1μ(cIn)=n=1cμ(In)=cn=1μ(In)=cμ(U).\begin{aligned} \mu(cU) &=\sum_{n=1}^{\infty}\mu(cI_n) =\sum_{n=1}^{\infty} c\,\mu(I_n) = c\sum_{n=1}^{\infty}\mu(I_n) = c\,\mu(U). \end{aligned}

Paso 3: Conjuntos medibles arbitrarios

Sea AMA\in\mathcal{M}. Por la regularidad exterior de la medida de Lebesgue,

μ(A)=inf{μ(U):AU, U abierto}.\mu(A)=\inf\{\mu(U): A\subset U,\ U \text{ abierto}\}.

Como c>0c>0, la aplicación T(x)=cxT(x)=cx es un homeomorfismo de R\mathbb{R}. En particular:

  • UU es abierto si y solo si cUcU es abierto;
  • AUA\subset U si y solo si cAcUcA\subset cU.

Por lo tanto, la aplicación UcUU\mapsto cU induce una biyección entre

{U: AU, U abierto}y{V: cAV, V abierto}.\{U:\ A\subset U,\ U \text{ abierto}\} \quad\text{y}\quad \{V:\ cA\subset V,\ V \text{ abierto}\}.

De aquí se obtiene

μ(cA)=inf{μ(V):cAV, V abierto}=inf{μ(cU):AU, U abierto}.\begin{aligned} \mu(cA) &=\inf\{\mu(V): cA\subset V,\ V \text{ abierto}\} \\ &=\inf\{\mu(cU): A\subset U,\ U \text{ abierto}\}. \end{aligned}

Usando el Paso 2,

μ(cA)=inf{cμ(U):AU, U abierto}=cinf{μ(U):AU}=cμ(A).\mu(cA)=\inf\{c\,\mu(U): A\subset U,\ U \text{ abierto}\} = c\,\inf\{\mu(U): A\subset U\} = c\,\mu(A).

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(c) Caso c<0c<0

Sea c<0c<0. Observamos que

cA=c(A),A:={x:xA}.cA = |c|\,(-A), \qquad -A:=\{-x:x\in A\}.

La aplicación xxx\mapsto -x es una isometría de R\mathbb{R}, luego preserva la medida de Lebesgue:

μ(A)=μ(A).\mu(-A)=\mu(A).

Aplicando el inciso (b) con c>0|c|>0 se obtiene

μ(cA)=μ(c(A))=cμ(A)=cμ(A).\mu(cA)=\mu(|c|(-A))=|c|\,\mu(-A)=|c|\,\mu(A).

Conclusión

Para todo AMA\in\mathcal{M} y todo cRc\in\mathbb{R} se cumple

μ(cA)=cμ(A).\boxed{\mu(cA)=|c|\,\mu(A).}