[!infobox] Proposición: Invarianza de la Medida bajo Dilatación
Contexto: Propiedades de la Medida de Lebesgue
Enunciado: Sea A⊆R un conjunto medible y c∈R.
- El conjunto cA={ca:a∈A} es medible.
- Su medida escala linealmente con el valor absoluto de c:
μ(cA)=∣c∣μ(A)
Advertencia/Clave: La prueba se basa en la definición de Medida Exterior (μ∗) y cómo la longitud de los intervalos se ve afectada por un escalar (ℓ(cI)=∣c∣ℓ(I)).
Demostración:
Caso 1: c=0
cA={0}. Todo conjunto finito tiene medida nula.
μ({0})=0=0⋅μ(A). Se cumple trivialmente.
Caso 2: c=0
(a) Medibilidad de cA
Como A∈M, por el Teorema de Estructura, existe un conjunto F (unión numerable de cerrados) y un conjunto nulo Z tal que A=F∪Z.
Entonces cA=cF∪cZ.
- La función f(x)=cx es un homeomorfismo de R. Mapea conjuntos cerrados a cerrados (y uniones numerables a uniones numerables). Por tanto, cF es Borel-medible.
- Para Z, si μ(Z)=0, para todo ε>0 existe una cubierta de intervalos {In} tal que ∑ℓ(In)<ε/∣c∣.
La colección {cIn} cubre a cZ y tiene longitud total ∑∣c∣ℓ(In)=∣c∣∑ℓ(In)<ε.
⟹μ(cZ)=0.
- La unión de un Borel y un Nulo es Lebesgue-medible. ∴cA∈M.
(b) y (c) Cálculo de la Medida
Sea {In}n∈N una colección de intervalos abiertos que cubren a A.
Entonces {cIn}n∈N es una colección de intervalos abiertos que cubren a cA.
La relación de longitud para un intervalo I=(a,b) es:
ℓ(cI)=∣cb−ca∣=∣c(b−a)∣=∣c∣ℓ(I)
Por definición de medida exterior (que coincide con la medida pues ya probamos medibilidad):
μ(cA)=inf{n=1∑∞ℓ(Jn):cA⊆⋃Jn}=inf{n=1∑∞ℓ(cIn):A⊆⋃In}(Biyeccioˊn entre cubiertas)=inf{n=1∑∞∣c∣ℓ(In):A⊆⋃In}=∣c∣inf{n=1∑∞ℓ(In):A⊆⋃In}=∣c∣μ(A)
Conclusión:
- Si c>0, μ(cA)=cμ(A).
- Si c<0, μ(cA)=−cμ(A)=∣c∣μ(A).
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Escalamiento y medida de Lebesgue
Sea (R,M,μ) el espacio de Lebesgue y, para c∈R y A⊂R, definimos
cA:={cx:x∈A}.
(a) Si A∈M entonces cA∈M
Sea c∈R fijo y consideremos la aplicación
T:R→R,T(x)=cx.
Para todo x,y∈R se cumple
∣T(x)−T(y)∣=∣c∣∣x−y∣.
Luego T 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.
Pero T(A)=cA, luego cA∈M.
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(b) Si c>0, entonces μ(cA)=cμ(A)
La demostración se realiza en tres pasos.
Paso 1: Intervalos
Sea I=(a,b) un intervalo abierto. Entonces
cI=(ca,cb),
y su longitud es
ℓ(cI)=cb−ca=c(b−a)=cℓ(I).
Como la medida de Lebesgue coincide con la longitud en intervalos,
μ(cI)=cμ(I).
Paso 2: Conjuntos abiertos
Sea U⊂R un conjunto abierto. Existe una familia numerable de intervalos abiertos disjuntos (In)n∈N tal que
U=n=1⨆∞In.
Como c>0, los conjuntos cIn son intervalos abiertos disjuntos y
cU=n=1⨆∞cIn.
Usando la σ-aditividad de μ y el Paso 1:
μ(cU)=n=1∑∞μ(cIn)=n=1∑∞cμ(In)=cn=1∑∞μ(In)=cμ(U).
Paso 3: Conjuntos medibles arbitrarios
Sea A∈M. Por la regularidad exterior de la medida de Lebesgue,
μ(A)=inf{μ(U):A⊂U, U abierto}.
Como c>0, la aplicación T(x)=cx es un homeomorfismo de R.
En particular:
- U es abierto si y solo si cU es abierto;
- A⊂U si y solo si cA⊂cU.
Por lo tanto, la aplicación U↦cU induce una biyección entre
{U: A⊂U, U abierto}y{V: cA⊂V, V abierto}.
De aquí se obtiene
μ(cA)=inf{μ(V):cA⊂V, V abierto}=inf{μ(cU):A⊂U, U abierto}.
Usando el Paso 2,
μ(cA)=inf{cμ(U):A⊂U, U abierto}=cinf{μ(U):A⊂U}=cμ(A).
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(c) Caso c<0
Sea c<0. Observamos que
cA=∣c∣(−A),−A:={−x:x∈A}.
La aplicación x↦−x es una isometría de R, luego preserva la medida de Lebesgue:
μ(−A)=μ(A).
Aplicando el inciso (b) con ∣c∣>0 se obtiene
μ(cA)=μ(∣c∣(−A))=∣c∣μ(−A)=∣c∣μ(A).
Conclusión
Para todo A∈M y todo c∈R se cumple
μ(cA)=∣c∣μ(A).