#19Teoria de la medida

19 - Teoría de la medida I

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Thu-07-11-2024 08:52 profe: Nicolás Sirolli status: tags: Teoria de la medida


Medida de Lebesgue


Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea ARDecimos que es nulo si E>0(In)nN familia de intervalos abiertos tal que:1. AnNIn2. nNlong(In)<E\begin{array}{l} \text{Sea $A\subseteq \mathbb{R}$. } \\ \text{Decimos que es nulo si $\forall \mathcal{E}>0\:\exists\:(I_{n})_{n \in \mathbb{N}}$ familia de intervalos abiertos tal que:}\\ \text{1. $A\subseteq \bigcup_{n \in \mathbb{N}}I_{n}$}\\ \text{2. $\sum_{n \in \mathbb{N}}long(I_{n})<\mathcal{E}$} \end{array} Dondelong(In)={baba0b<aDonde \quad long(I_{n})=\begin{cases} b-a & b\geq a \\ 0 & b<a \end{cases}

Ejemplo:Ejemplo:

Sea A={x0}A=\{ x_{0} \} es nulo. Sea E>0\mathcal{E}>0, tomo A2=(x0E2,x0+E2),An=n2A_{2}=\left( x_{0}-\frac{\mathcal{E}}{2},x_{0}+\frac{\mathcal{E}}{2} \right),A_{n}=\emptyset \quad\forall n\geq2


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

Si A es contable      A es nulo.\begin{array}{l} \text{Si $A$ es contable $\implies$ $A$ es nulo.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea A={an}nNA=\{ a_{n} \}_{n\in \mathbb{N}}. Dado E>0\mathcal{E}>0 , tomo B(an,E2n+3)In    AnNIn\underset{I_{n}}{\underbrace{B\left( a_{n},\frac{\mathcal{E}}{2^{n+3}} \right)}}\implies A\subseteq \bigcup_{n \in \mathbb{N}}I_{n} y

nNlong(In)=nNE2n+2=E4nN12n=E2<E\sum_{n\in \mathbb{N}}long(I_{n})=\sum_{n\in \mathbb{N}}\frac{\mathcal{E}}{2^{n+2}}=\frac{\mathcal{E}}{4}\sum_{n\in \mathbb{N}} \frac{1}{2^{n} } =\frac{\mathcal{E}}{2}<\mathcal{E} \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. :} }

Sean (An)nN nulos, entonces nNAn=A es nulo.\begin{array}{l} \text{Sean $(A_{n})_{n\in \mathbb{N}}$ nulos, entonces $\bigcup_{n\in \mathbb{N}}A_{n}=A$ es nulo.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } Sea E>0\mathcal{E}>0, como (An)nN( A_{n} )_{n \in \mathbb{N}} es nulo (In,m)m\:\exists\:(I_{n,m})_{m} intervalos abiertos con mlong(In,m)<E2m+1\sum_{m}long(I_{n,m})<\frac{\mathcal{E}}{2^{m+1}}
Así, Am,nN×NIn,mA\subseteq \underset{{m,n\in \mathbb{N}\times \mathbb{N}}}{\bigcup}I_{n,m} y nNlong(In,m)=nNmNlong(In,m)<E2m+1nNE2m+1=E2<E\sum_{n\in \mathbb{N}}long(I_{n,m})=\sum_{n\in \mathbb{N}}\underset{<\frac{\mathcal{E}}{2^{m+1}}}{\underbrace{\sum_{m\in \mathbb{N}}long(I_{n,m})}}\leq \sum_{n\in \mathbb{N}}\frac{\mathcal{E}}{2^{m+1}}=\frac{\mathcal{E}}{2}<\mathcal{E}

\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

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

X conjunto AP(X) es una σaˊlgebra si:1. XA 2. AA    AcA3. AnA    nNAnA \begin{array}{l} \text{$X$ conjunto $\mathcal{A}\subseteq\mathcal{P}(X)$ es una $\sigma-$álgebra si:}\\ \text{1. $X \in \mathcal{A}$ }\\ \text{2. $A\in\mathcal{A}\implies A^{c}\in\mathcal{A}$}\\ \text{3. $A_{n}\in\mathcal{A}\implies \bigcup_{n\in \mathbb{N}}A_{n}\in\mathcal{A}$ } \end{array}

Ejemplo:Ejemplo:

Fijo X:X:

  1. A=P(X)\mathcal{A}=\mathcal{P}(X) es una σ\sigma-álgebra.
  2. A={X,}\mathcal{A}=\{ X,\emptyset \} es una σ\sigma-álgebra.
  3. Sea BXB\subseteq X entonces A={X,,B,XB}\mathcal{A}=\{ X,\emptyset,B,X\setminus B \} es una σ\sigma-álgebra.
  4. A={BX:#B0#(XB)0}\mathcal{A}=\{ B\subseteq X:\#B\leq \aleph_0\:\lor\:\#(X\setminus B)\leq \aleph_0 \} es una σ\sigma-álgebra.

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

Sea BP(X). La σaˊlgebra generada por B es A=BA,Aσaˊlg.A\begin{array}{l} \text{Sea $B\subseteq\mathcal{P}(X)$. La $\sigma-álgebra$ generada por $B$ es }\\ \mathcal{A}=\underset{B\subseteq A',A'\:\sigma-álg.}{\bigcap}A' \end{array}

Def. :{\color{Cyan} \text{Def. :} }

La σaˊlgebra de Lebesgue es la generado por B={(a,b):a,bR}{AR:A es nulo}y la notamos con M.\begin{array}{l} \text{La $\sigma-álgebra$ de Lebesgue es la generado por $B=\{ (a,b):a,b\in \mathbb{R} \}\cup \{ A\subseteq \mathbb{R}:A\text{ es nulo} \}$}\\ \text{y la notamos con $\mathcal{M}$.} \end{array}

Obs:Obs: Están los abiertos, los nulos, los cerrados y:


Ejemplos:Ejemplos:
  1. [a,b)={a}(a,b)[a,b)=\{ a \}\cup (a,b)
  2. RNM\mathbb{R}\setminus \mathbb{N}\in\mathcal{M} pues N\mathbb{N} es nulo     M\implies \in\mathcal{M}
  3. nN[n,n+12n)M\bigcup_{n\in \mathbb{N}}\left[ n,_{n}+\frac{1}{2^{n}} \right)\in\mathcal{M}

Obs:Obs: MP(R)\mathcal{M}\neq \mathcal{P}(\mathbb{R}) , el conjunto de Vitali.


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

1. GMGR abierto.2. FMFR cerrado.\begin{array}{l} \text{1. $G\in\mathcal{M}\quad\forall G\subseteq \mathbb{R}$ abierto.}\\ \text{2. $F\in\mathcal{M}\quad\forall F\subseteq \mathbb{R}$ cerrado.} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } 1. Vimos que si GG es abierto (In)n\:\exists\:(I_{n})_{n} con InI_{n} intervalos abiertos tal que G=nNInG=\bigcup_{n\in \mathbb{N}}I_{n}. 2. F=R(RF)GMpor1    FMF=\mathbb{R}\setminus \underset{G\in\mathcal{M}\:por\:1}{\underbrace{(\mathbb{R}\setminus F)}}\implies F\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. :} }

Sean A,BA,conAσaˊlgebra:1. ABM 2. Si AnMnN    nNAnM3. ABM\begin{array}{l} \text{Sean $A,B\in\mathcal{A},con\:\mathcal{A}\:\sigma-álgebra$:}\\ \text{1. $A\cup B\in\mathcal{M}$ }\\ \text{2. Si $A_{n}\in\mathcal{M}\quad\forall n\in \mathbb{N}\implies \bigcap_{n\in \mathbb{N}}A_{n}\in\mathcal{M}$}\\ \text{3. $A\bigcap B\in\mathcal{M}$. } \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } 1. AB=nNAnA\cup B=\bigcup_{n\in \mathbb{N}}A_{n}, con A1=A,A2=BA_{1}=A,A_{2}=B y An=n3A_{n}=\emptyset \quad\forall n\geq3. 2. Sea C=nNAnC=\bigcap_{n\in \mathbb{N}}A_{n}, basta ver que XCA    XC=nNXAnAAX\setminus C\in\mathcal{A}\implies X\setminus C=\underset{\in\mathcal{A}}{\underbrace{\bigcup_{n\in \mathbb{N}}\underset{\in\mathcal{A}}{\underbrace{X\setminus A_{n}}}}}

\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

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

[0,+]=[0,+){+}, extendiendo +, en [0,+] tal que:1. a<+a[0,+)2. a+(+)=+a[0,+]3. a.(+)=+a(0,+]4. 0.(+)=0 \begin{array}{l} \text{$[0,+\infty]=[0,+\infty)\cup \{ +\infty \},$ extendiendo $+,*$ en $[0,+\infty]$ tal que:}\\ \text{1. $a<+\infty \quad\forall a\in[0,+\infty)$}\\ \text{2. $a+(+\infty)=+\infty \quad\forall a\in[0,+\infty]$}\\ \text{3. $a.(+\infty)=+\infty \quad\forall a\in(0,+\infty]$}\\ \text{4. $0.(+\infty)=0\quad$ } \end{array}


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

Teorema de Lebesgue!μ:M[0,+] tal que:1. μ((a,b))=ba si a,bR y a<b.2. μ(An)μ(An)AnM3. AM,E>0,GA con G abierto con μ(GA)<E (σ -regularidad) \begin{array}{l} \textbf{Teorema de Lebesgue} \\ \text{$\:\exists\:!\mu:\mathcal{M}\to[0,+\infty]$ tal que:}\\ \text{1. $\mu((a,b))=b-a$ si $a,b\in \mathbb{R}$ y $a<b$.}\\ \text{2. $\mu\left( \bigcup A_{n} \right)\leq \sum \mu(A_{n})\quad\forall A_{n}\in \mathcal{M}$}\\ \text{3. $\forall A\in\mathcal{M},\forall\mathcal{E}>0,\:\exists\:G\supseteq A$ con $G$ abierto con $\mu(G\setminus A)<\mathcal{E}$ ($\sigma$ -regularidad) } \end{array}

En 2. vale la igualdad si los AnA_{n} son disjuntos 2 a 2 (σ\sigma-aditividad).


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

μ()=0\mu(\emptyset)=0

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

(0,1)μ=(0,1)˙μ(n2) por la σ-aditividad \underset{\downarrow\mu}{(0,1)}=(0,1)\underset{\downarrow\mu}{\dot{\cup}}\left( \bigcup_{n\geq 2}\emptyset \right)\text{ por la $\sigma$-aditividad } 1=1+n2μ()    μ()=0    μ()=01 = 1+\sum_{n\geq 2}\mu(\emptyset)\iff \sum \mu(\emptyset)=0\iff \mu(\emptyset)=0 \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. :} }

Sean A,BM.1. μ(AB)=μ(A)+μ(B) si AB= (aditividad).2. μ(A)μ(B)    AB (monotonıˊa).\begin{array}{l} \text{Sean $A,B \in\mathcal{M}$.}\\ \text{1. $\mu(A\cup B)=\mu(A)+\mu(B)$ si $A\cap B=\emptyset$ (aditividad).}\\ \text{2. $\mu(A)\leq \mu(B)\iff A\subseteq B$ (monotonía).} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } 1. AB=A˙B˙(n2)A\cup B=A\dot{\cup}B\dot{\cup}\left( \bigcup_{n\geq_{2}}\emptyset \right) 2. μ(B)=μ(BA)[0,+]+μ(A)\mu(B)=\underset{\in[0,+\infty]}{\underbrace{\mu(B\setminus A)}}+\mu(A) Si μ(B)=+\mu(B)=+\infty, listo. Si μ(B)<+\mu(B)<+\infty, son todos finitos y listo.

\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 es nulo     μ(A)=0\begin{array}{l} \text{$A$ es nulo $\iff \mu(A)=0$} \end{array}

Dem:{\color{Orange} \text{Dem:} } ){\color{orange} \Rightarrow) } Sea E>0,(In)n\mathcal{E}>0,\:\exists\:(I_{n})_{n} abiertos tal que AnNInA\subseteq \bigcup_{n\in \mathbb{N}}I_{n} y nNlong(In)<E\sum_{n\in \mathbb{N}}long(I_{n})<\mathcal{E}. Entonces

μ(A)monotonıˊaμ(In)σaditividadμ(In)=long(In)<EE>0\mu(A)\underset{\text{monotonía}}{\leq }\mu\left( \bigcup I_{n} \right)\underset{\sigma-aditividad}{\leq }\sum \mu(I_{n})=\sum long(I_{n})<\mathcal{E}\quad \forall\mathcal{E}>0

    μ(A)=0\implies \mu(A)=0

){\color{orange} \Leftarrow) } μ(A)=0.\mu(A)=0. Sea E>0\mathcal{E}>0, tomo GAG\supseteq A abierto con μ(GA)<E\mu(G\setminus A)<\mathcal{E}. Así, como G=(GA)A.G=(G\setminus A)\cup A. Como μ(A)=0,\mu(A)=0, entonces μ(G)=μ(GA)<E\mu(G)=\mu(G\setminus A)<\mathcal{E}. Vimos que G=InG=\bigcup I_{n} intervalos abiertos disjuntos 2 a 2. Así, AInA\subseteq \bigcup I_{n} y long(In)=μ(G)<E\sum long(I_{n})=\mu(G)<\mathcal{E}

\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. :} }

AM y E>0,FA cerrado con μ(AF)<E.\begin{array}{l} \text{$\forall A\in\mathcal{M}$ y $\forall\mathcal{E}>0,\:\exists\:F\subseteq A$ cerrado con $\mu(A\setminus F)<\mathcal{E}$.} \end{array}

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

Se dejó como ejercicio.


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