G8-E7

[!infobox] Proposición: Acotación vs. Medida Finita Contexto: Propiedades de la Medida de Lebesgue Enunciado:

  1. Todo conjunto medible y acotado tiene medida finita.
  2. El recíproco es falso: Existen conjuntos de medida finita no acotados. Advertencia/Clave: Para el contraejemplo, recordar la serie geométrica (1/2)n\sum (1/2)^n distribuida a lo largo de R\mathbb{R}.

Demostración (1): Acotado     \implies Finito Sea EME \in \mathcal{M} un conjunto acotado. Por definición de acotación en R\mathbb{R}, existe un M>0M > 0 tal que E[M,M]E \subseteq [-M, M]. Por la propiedad de monotonía de la medida:

μ(E)μ([M,M])\mu(E) \leq \mu([-M, M])

Sabemos que la medida de un intervalo acotado es su longitud:

μ([M,M])=M(M)=2M<\mu([-M, M]) = M - (-M) = 2M < \infty

Por lo tanto, μ(E)\mu(E) es finita.

Contraejemplo (2): Finito \nRightarrow Acotado Consideremos el conjunto AA definido como la unión infinita de intervalos:

A=n=1In,donde In=[n,n+12n]A = \bigcup_{n=1}^{\infty} I_n, \quad \text{donde } I_n = \left[n, n + \frac{1}{2^n}\right]
  1. No Acotado: Para cualquier K>0K > 0, existe un nNn \in \mathbb{N} tal que n>Kn > K. Como InAI_n \subseteq A, el conjunto tiene puntos mayores que KK. Por tanto, no está contenido en ningún intervalo finito.

  2. Medida Finita: Observamos que los intervalos InI_n son disjuntos dos a dos (ya que n+12n<n+1n + \frac{1}{2^n} < n+1). Por la σ\sigma-aditividad de la medida:

μ(A)=n=1μ(In)=n=1((n+12n)n)=n=112n\mu(A) = \sum_{n=1}^{\infty} \mu(I_n) = \sum_{n=1}^{\infty} \left( \left(n + \frac{1}{2^n}\right) - n \right) = \sum_{n=1}^{\infty} \frac{1}{2^n}
Esta es una serie geométrica convergente con razón $r = 1/2$:
n=1(12)n=1/211/2=1\sum_{n=1}^{\infty} \left(\frac{1}{2}\right)^n = \frac{1/2}{1 - 1/2} = 1
Como $\mu(A) = 1$, el conjunto tiene medida finita.
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