Aquí tienes la nota consolidada. Se han integrado los comentarios del profesor para aclarar demostraciones, motivar definiciones y resaltar estrategias de resolución de ejercicios, manteniendo la estructura original de la nota.
Lo que quedó pendiente de la teo anterior
Prop. :
Si f,g:E→R medibles ⟹f+g medible.
Dem:
Supongamos que {f=+∞}=∅={g=±∞}
Si a∈R{f+g<a} es medible
Veamos que
{f+g<a}=q∈Q⋃medible{f<g}∩medible{g<a−q}
-- 00:00
Comentario del profesor:
"La moraleja de esto es: para ver que un conjunto es medible lo tengo que escribir como unión, intersección, numerable de medibles y tengo que ser ingenioso."
⊇)
Si x∈{f<q}∩{q<a−g}
⟹f(x)+g(x)<q+g(x)<a−g(x)+g(x)=a
Comentario del profesor [00:00:30 - 00:01:20]:
La idea es que si x está en esa intersección para algún q, entonces f(x)<q y q<a−g(x). Sumando g(x) a ambos lados de la desigualdad de q, obtenemos f(x)+g(x)<q+g(x)<a.
La clave aquí es que puedo acercar a f tanto como yo quiera con un número racional un poco más grande (qn↘f(x)). Si x no pertenece a la unión, no está en ninguno de esos conjuntos para ningún q, lo que nos permite derivar la desigualdad opuesta.
Sea φ:E→R simple medible y φ≥0
Existe partición finita E1,…,En medibles E=i=1⋃˙Ei
y α1,…,αn≥0l=∑αi⋅XEi⟹I(l)=i=1∑nαi⋅μ(Ei)
Comentario del profesor [00:10:00 - 00:13:07]:
Estamos definiendo la integral basándonos en el área de rectangulitos: base por altura. La altura es el αi y la base la medimos con la medida μ. Para las funciones simples, la integral es simplemente la suma de "base (Ei) por altura (αi)".
Prop. :
Sean φ,ϕ:E→R con φ,ϕ≥0 simples medibles. 1. I(φ+ϕ)=I(φ)+I(ϕ)2. I(α⋅φ)=α⋅I(φ)
El problema al sumar es que los Ei son disjuntos entre sí y los Dj son disjuntos entre sí, pero Ei y Dj pueden no serlo (se solapan). Para poder sumar correctamente las alturas (αi+βj), necesitamos "disjuntar" todo el espacio, creando una grilla común mediante la intersección Ei∩Dj.
Como E=i⋃˙j⋃˙Ei∩Dj y φ+ϕ(x)=αi+βj∀x∈Ei∩Dj
Aquí usamos que la suma es finita para reordenar y sacar factor común. Al fijar i y mover j, estamos sumando todos los pedacitos disjuntos (Ei∩Dj) que componen Ei. La suma de las medidas de las partes disjuntas nos da la medida del total (μ(Ei)).
¿Qué es esto? Me doy una función medible y sé que tengo un montón de funciones simples que están por debajo de ella. A cada función simple por debajo le calculo la integral (que ya sé hacer). El supremo de todas esas integrales será la integral de f.
Si el conjunto E es nulo, su medida es cero. Como los Ei están dentro de E, todos tienen medida cero. Por lo tanto, la integral de cualquier función simple por debajo es 0. El supremo de ceros es 0.
Prop. :
Sean f,g:E→R medibles con 0≤f≤g∫Efdμ=∫Egdμ
Dem:
Si 0≤φ≤f es simple medible ⟹φ≤g
Comentario del profesor [00:58:18 - 00:59:30]:
Piénsenlo geométricamente: si f está debajo de g, el área bajo f debería ser menor. Formalmente: cualquier función simple que esté debajo de f automáticamente está debajo de g. Como el conjunto de simples debajo de g incluye a las de f (y quizás más), el supremo para g será mayor o igual.
--59:30
Prop. :
proposicion
Sea f:E→R medible con f≥0 y A⊆E medible.
⟹∫Afdμ=∫Ef⋅XAdμ
Luego
∫Afdμ≤∫Efdμ
pues f⋅XA≤f
Comentario del profesor [01:01:19 - 01:02:43]:
Integrar sobre un subconjunto A es lo mismo que ver la función restringida a A, o equivalentemente, ver una función definida en todo E que vale lo que f en A y 0 afuera (f⋅χA). Como f⋅χA≤f (porque χA es 0 o 1), la integral sobre el pedacito es menor o igual a la integral sobre todo.
Obs:
Vimos que puede ocurrir que
fn⟶f pero ∫fn⟶∫f
Ejemplos:
fn(x)=⎩⎨⎧n2xn2(n1−x)00≤x≤2n12n1≤x≤n1x>n1
Comentario del profesor:
Vimos que el área de esas funciones (triangulitos que se hacen altos y finitos) no tendía a 0, aunque la función convergía puntualmente a 0. Esto es un problema porque queremos que el límite entre dentro de la integral.
Teorema de convergencia monótona
Sean (fn)n∈N sucesión de funciones medibles positivas y sea f medible tal que fn→f
Si fn≤fn+1∀n∈N (monótonas crecientes, fn↗f) entonces
n→∞lim∫Efndμ=∫En→∞limfndμ=∫Efdμ
Dem:
Se deja como ejercicio.
Comentario del profesor [01:10:39 - 01:12:43]:
Esta es la gran ventaja de la integral de Lebesgue sobre Riemann. Con este nuevo concepto, si la convergencia es puntual y va para arriba (monótona creciente), sí puedo meter el límite adentro de la integral. Usaremos esto para probar propiedades de la integral general aproximando con simples.
Teorema :
Teorema
Sean f,g:E→R medibles y positivas y sea λ>0. Entonces
∫Ef+λ⋅gdμ=∫Efdμ+λ⋅∫Egdμ
Dem:
∫Ef+λgdμ=I(f+λg)=I(f)+λ⋅I(g)=∫Efdμ+λ∫Egdμ
Por algo anterior existen (φn)n∈N medibles simples positivas con φn↗f
Existen (ϕn)n∈N medibles simples positivas tal que ϕn↗g
Luego
φn+λ⋅ϕn↗f+λ⋅g
Comentario del profesor [01:23:57 - 01:24:37]:
Estrategia general: Si quiero probar algo para integrales de funciones medibles, me fijo si vale para simples. Si vale para simples, tomo una sucesión de simples que converja monótonamente a mi función, "meto el teoremón" (Convergencia Monótona) para sacar el límite, y sale.
∫Ef+λ⋅gdμ=∫En→∞limφn+λ⋅ϕndμteor conv mon=n→∞lim∫Eφn+λ⋅ϕndμφn+λϕn son simples=n→∞lim∫Eφndμ+λ∫Eϕndμ=n→∞lim∫Eφndμ+λn→∞lim∫Eϕndμteor conv mon=∫En→∞limφndμ+λ⋅∫En→∞limϕndμ=∫Efdμ+λ⋅∫Egdμ
Esto nos dice que puedo "disjuntar" el espacio e integrar pedazo por pedazo. Usamos la característica de la unión disjunta, que es la suma de las características (χE1∪E2=χE1+χE2 pues son disjuntos).
Corolario:
Corolario
Sean f,g:E⟶R medibles positivas. Si f=g en casi todo punto
Análogamente empiezo con g y obtenga la otra desigualdad.
Comentario del profesor [01:34:52 - 01:36:08]:
La integral es base por altura. Si la función cambia solo en un conjunto donde la base tiene medida cero, eso no cuenta en el área. Para la demo, partimos el espacio en "donde son iguales" (ahí integran lo mismo) y "donde son distintos" (que es nulo, así que la integral es 0).
Corolario:
Corolario∫RXQ=0
Dem:
Como μ(Q)=0⟹XQ≡0 en casi todo punto. Además ∫E0=0
Comentario del profesor:
Riemann tenía un problema con esta función (la de Dirichlet) porque no podía integrarla. Nosotros vemos que es igual a 0 en casi todo punto (porque μ(Q)=0), así que su integral es la misma que la integral de la función 0, que es 0.
La lógica es: si la función no es cero en un conjunto de medida positiva, en algún momento tiene que ser mayor que 1/n en un conjunto de medida positiva. Al integrar sobre ese En, obtendríamos un área mayor a 0 (base μ(En)>0 por altura 1/n), lo cual contradice la hipótesis.
Obs:
Si f,g≥0
Me gustaría que
∫f−g=∫f−∫g
Comentario del profesor:
Tiene sentido porque si uno piensa en el área por arriba del eje y el área por debajo, para la parte de abajo tendría que poner un menos.
Def. :
Teorema
Sea f:E→R
f+={f(x)0f(x)≥0f(x)<0,f−={−f(x)0f(x)<0f(x)≥0
f+≥0,f−≥0
Además
f=f+−f−f+=f⋅X{f≥0}f−=−f⋅X{f≤0}
Def. :
Teorema
f:E→R medible.
∫Ef=∫Ef+−∫Ef−
Ejercicio: Todo lo que hicimos para funciones positivas (f≥0 ) vale para f en general
Comentario del profesor:
Típico ejercicio/truco de examen: Si quiero demostrar algo para una función general f, primero lo demuestro para funciones positivas, y luego uso esta descomposición (f=f+−f−) para extender el resultado.