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| author | Juan Marín Noguera <juan.marinn@um.es> | 2020-03-15 17:06:59 +0100 |
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@@ -17,7 +17,7 @@ son las siguientes: * `tem`: Topología de Espacios Métricos. * `aalg`: Ampliación de Álgebra y Geometría. * `fvv1`: Funciones de Varias Variables I. -* `fvv2`: Funciones de Varias Variables II (falta el capítulo 2). +* `fvv2`: Funciones de Varias Variables II. * `fvv3`: Funciones de Varias Variables III (sólo PDF). * `edo`: Ecuaciones Diferenciales Ordinarias (sólo PDF). * `epe`: Elementos de Probabilidad y Estadística (sólo PDF). @@ -5,6 +5,9 @@ \save_transient_properties true \origin unavailable \textclass book +\begin_preamble +\input{../defs} +\end_preamble \use_default_options true \maintain_unincluded_children false \language spanish @@ -168,10 +171,6 @@ Medidas de conjuntos \end_layout \begin_layout Standard -\begin_inset Note Note -status open - -\begin_layout Plain Layout \begin_inset CommandInset include LatexCommand input filename "n2.lyx" @@ -181,11 +180,6 @@ filename "n2.lyx" \end_layout -\end_inset - - -\end_layout - \begin_layout Chapter Integración Lebesgue \end_layout diff --git a/fvv2/n2.lyx b/fvv2/n2.lyx new file mode 100644 index 0000000..56b1b12 --- /dev/null +++ b/fvv2/n2.lyx @@ -0,0 +1,1980 @@ +#LyX 2.3 created this file. 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+\begin_inset Formula ${\cal A}\subseteq{\cal P}(\Omega)$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $A\in{\cal A}\implies A^{\complement}\in{\cal A}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $A,B\in{\cal A}\implies A\cup B\in{\cal A}$ +\end_inset + +. + Así, +\begin_inset Formula $\Omega=A\cup A^{\complement}\in{\cal A}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\emptyset=\Omega^{\complement}\in{\cal A}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $A\cap B=(A^{\complement}\cup B^{\complement})^{\complement}\in{\cal A}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $A\backslash B=A\cap B^{\complement}\in{\cal A}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $A\Delta B:=(A\backslash B)\cup(B\backslash A)\in{\cal A}$ +\end_inset + + (diferencia simétrica). +\end_layout + +\begin_layout Standard +Una +\series bold + +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra de partes +\series default + de +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + es un álgebra +\begin_inset Formula $\Sigma\subseteq{\cal P}(\Omega)$ +\end_inset + + tal que si +\begin_inset Formula $\{A_{n}\}_{n}\subseteq\Sigma$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $\bigcup_{n=\mathbb{N}}A_{n}\in\Sigma$ +\end_inset + +, y entonces +\begin_inset Formula $\bigcap_{n\in\mathbb{N}}A_{n}=\left(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}B_{n}^{\complement}\right)^{\complement}\in\Sigma$ +\end_inset + +. + Para que un álgebra +\begin_inset Formula ${\cal A}$ +\end_inset + + sea una +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra basta que la condición adicional se cumpla para sucesiones crecientes + ( +\begin_inset Formula $A_{1}\subseteq A_{2}\subseteq\dots$ +\end_inset + +), pues si +\begin_inset Formula $A_{n}\in{\cal A}\forall n\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +, tomando la sucesión creciente +\begin_inset Formula $U_{n}:=\bigcup_{k=1}^{n}A_{k}$ +\end_inset + +, vemos que +\begin_inset Formula $A:=\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n}=\bigcup_{n\in\mathbb{N}}U_{n}\in{\cal A}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +La mínima +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra de partes de +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\{\emptyset,\Omega\}$ +\end_inset + +, la +\series bold + +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra trivial +\series default +, y la máxima es +\begin_inset Formula ${\cal P}(\Omega)$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + es infinito, la familia formada por los subconjuntos finitos de +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + y sus complementarios es una +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra, al igual que la formada por los subconjuntos numerables y sus + complementarios si +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + es infinito no numerable. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Si +\begin_inset Formula $\{\Sigma_{\alpha}\}_{\alpha\in A}\neq\emptyset$ +\end_inset + + es un conjunto de álgebras, su intersección +\begin_inset Formula $\Sigma:=\bigcap_{\alpha\in A}\Sigma_{\alpha}$ +\end_inset + + es un álgebra, y si los +\begin_inset Formula $\Sigma_{\alpha}$ +\end_inset + + son todos +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebras la intersección también lo es, sin más que aplicar la definición + en cada álgebra del conjunto. + Así, llamamos +\series bold + +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra generada +\series default + por +\begin_inset Formula ${\cal D}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\sigma({\cal D})$ +\end_inset + +, a la mínima +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra que contiene a +\begin_inset Formula ${\cal D}$ +\end_inset + +, es decir, la intersección de todas ellas. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Sea +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + un espacio topológico, llamando +\begin_inset Formula ${\cal J}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula ${\cal F}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula ${\cal K}$ +\end_inset + + a las familias formadas, respectivamente, por los abiertos, cerrados y + compactos de +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + +, llamamos +\series bold + +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra de Borel +\series default + de +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + a +\begin_inset Formula ${\cal B}(T):=\sigma({\cal J})=\sigma({\cal F})$ +\end_inset + +, y sus elementos son los +\series bold +conjuntos de Borel +\series default +. + Si +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + es un abierto en +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula ${\cal B}(T)=\sigma({\cal K})$ +\end_inset + +, pues cada abierto es unión numerable de compactos. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dados +\begin_inset Formula $a,b\in\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + +, escribimos +\begin_inset Formula $a<b:\iff a_{i}<b_{i}\forall i\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + +, y análogamente para +\begin_inset Formula $a\leq b$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $a<b$ +\end_inset + +, escribimos +\begin_inset Formula $[a,b):=\prod_{i=1}^{n}[a_{i},b_{i})$ +\end_inset + +, y definimos +\begin_inset Formula $[a,b]$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $(a,b)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $(a,b]$ +\end_inset + + de forma análoga. + Si +\begin_inset Formula $b_{i}-a_{i}=\delta>0\forall i\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + +, se dice que el intervalo es un +\series bold +cubo +\series default + +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-dimensional de lado +\begin_inset Formula $\delta$ +\end_inset + +. + +\begin_inset Formula $[a,b)\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es un +\series bold +cubo diádico semiabierto +\series default + de orden +\begin_inset Formula $q\in\mathbb{N}$ +\end_inset + + si su lado es +\begin_inset Formula $2^{-q}$ +\end_inset + + y para cada +\begin_inset Formula $i\in\{1,\dots,n\}$ +\end_inset + + existe +\begin_inset Formula $m_{i}\in\mathbb{Z}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $a_{i}=m_{i}2^{-q}$ +\end_inset + +. + Fijado +\begin_inset Formula $q$ +\end_inset + +, cada punto de +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + está en un único cubo diádico semiabierto de orden +\begin_inset Formula $q$ +\end_inset + +, y si +\begin_inset Formula $q<p$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $P$ +\end_inset + + son cubos diádicos semiabiertos de órdenes respectivos +\begin_inset Formula $q$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $p$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $P\subseteq Q$ +\end_inset + + o +\begin_inset Formula $P\cap Q=\emptyset$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Cada abierto +\begin_inset Formula $G\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + se puede expresar como unión de una sucesión numerable de cubos diádicos + semiabiertos disjuntos. + +\series bold +Demostración: +\series default + Para cada +\begin_inset Formula $x\in G$ +\end_inset + + llamamos +\begin_inset Formula $Q_{x}$ +\end_inset + + al mayor cubo diádico +\begin_inset Formula $Q$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $x\in Q\subseteq G$ +\end_inset + +, que existe por ser +\begin_inset Formula $G$ +\end_inset + + abierto, y entonces +\begin_inset Formula $\bigcup_{x\in G}Q_{x}=G$ +\end_inset + + y, como sólo hay una cantidad de cubos diádicos numerables en total, +\begin_inset Formula $\{Q_{x}\}_{x\in G}$ +\end_inset + + es numerable. +\end_layout + +\begin_layout Section +Medidas +\end_layout + +\begin_layout Standard +Dada una +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra +\begin_inset Formula $\Sigma$ +\end_inset + + de partes de +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + +, una función +\begin_inset Formula $\mu:\Sigma\rightarrow[0,+\infty]$ +\end_inset + + es una +\series bold +medida +\series default + (numerablemente aditiva) sobre +\begin_inset Formula $\Sigma$ +\end_inset + + si +\begin_inset Formula $\mu(\emptyset)=0$ +\end_inset + + y para toda familia +\begin_inset Formula $\{A_{n}\}_{n\in\mathbb{N}}\subseteq\Sigma$ +\end_inset + + de conjuntos disjuntos se cumple +\begin_inset Formula $\sigma(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n})=\sum_{n\in\mathbb{N}}\mu(A_{n})$ +\end_inset + +. + Si existe decimos que +\begin_inset Formula $(\Omega,\Sigma)$ +\end_inset + + es un +\series bold +espacio medible +\series default +. + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Un +\series bold +espacio de medida +\series default + es una terna +\begin_inset Formula $(\Omega,\Sigma,\mu)$ +\end_inset + + donde +\begin_inset Formula $(\Omega,\Sigma)$ +\end_inset + + es un espacio medible y +\begin_inset Formula $\mu$ +\end_inset + + es una medida sobre este. + Decimos que +\begin_inset Formula $E\in\Sigma$ +\end_inset + + es +\series bold + +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-finito +\series default + si +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + se puede expresar como +\begin_inset Formula $\bigcup_{n\in\mathbb{N}}E_{n}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\{E_{n}\}_{n}\subseteq\Sigma$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\mu(E_{n})<+\infty\forall n\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-finito decimos que el espacio de medida +\begin_inset Formula $(\Omega,\Sigma,\mu)$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-finito y la medida +\begin_inset Formula $\mu$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-finita. + Por ejemplo, sean +\begin_inset Formula $\Omega\neq\emptyset$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\Sigma:={\cal P}(\Omega)$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $f:\Omega\rightarrow[0,+\infty]$ +\end_inset + +, la función dada por +\begin_inset Formula $\mu(E):=\sum_{x\in E}f(x)$ +\end_inset + + es una medida en +\begin_inset Formula $\Sigma$ +\end_inset + +, que es +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-finita si y sólo si +\begin_inset Formula $\{x\in\Omega:f(x)>0\}$ +\end_inset + + es numerable. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Propiedades de un espacio de medida: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Monotonía +\series default +: Para +\begin_inset Formula $A,B\in\Sigma$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $A\subseteq B$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\mu(A)\leq\mu(B)$ +\end_inset + +, y si además +\begin_inset Formula $\mu(B)<+\infty$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $\mu(B\backslash A)=\mu(B)-\mu(A)$ +\end_inset + +. +\begin_inset Formula +\[ +B=A\cup(B\backslash A)\implies\mu(B)=\mu(A)+\mu(B\backslash A)\geq\mu(A) +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Subaditividad +\series default +: Para +\begin_inset Formula $\{A_{n}\}_{n}\subseteq\Sigma$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\mu(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n})\leq\sum_{n}\mu(A_{n})$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Si llamamos +\begin_inset Formula $B_{1}:=A_{1}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $B_{n}:=A_{n}\backslash\bigcup_{k=1}^{n-1}A_{k}$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $n>1$ +\end_inset + +, nos queda una sucesión +\begin_inset Formula $\{B_{n}\}_{n}\subseteq\Sigma$ +\end_inset + + de elementos disjuntos con +\begin_inset Formula $\bigcup_{n\in\mathbb{N}}B_{n}=\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n}$ +\end_inset + +, y usando la monotonía, +\begin_inset Formula $\mu(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n})=\mu(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}B_{n})=\sum_{n}\mu(B_{n})\leq\sum_{n}\mu(A_{n})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Continuidad superior +\series default +: Si +\begin_inset Formula $\{A_{n}\}_{n}\subseteq\Sigma$ +\end_inset + + es creciente ( +\begin_inset Formula $A_{1}\subseteq A_{2}\subseteq\dots$ +\end_inset + +), +\begin_inset Formula $\mu(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n})=\lim_{n}\mu(A_{n})$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Construyendo +\begin_inset Formula $(B_{n})_{n}$ +\end_inset + + como en la prueba anterior, tenemos +\begin_inset Formula $B_{n}=A_{n}\backslash A_{n-1}$ +\end_inset + + para +\begin_inset Formula $n>1$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $A_{n}=\bigcup_{k=1}^{n}B_{k}$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $\mu(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n})=\mu(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}B_{n})=\sum_{n}\mu(B_{n})=\lim_{n}\sum_{k=1}^{n}\mu(B_{k})=\lim_{n}\mu(\bigcup_{k=1}^{n}B_{k})=\lim_{n}\mu(A_{n})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate + +\series bold +Continuidad inferior +\series default +: Si +\begin_inset Formula $\{A_{n}\}_{n}\subseteq\Sigma$ +\end_inset + + es decreciente ( +\begin_inset Formula $A_{1}\supseteq A_{2}\supseteq\dots$ +\end_inset + +) con +\begin_inset Formula $\mu(A_{m})<+\infty$ +\end_inset + + para algún +\begin_inset Formula $m\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +, entonces +\begin_inset Formula $\mu(\bigcap_{n}A_{n})=\lim_{n}\mu(A_{n})$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Basta aplicar la continuidad superior a la sucesión creciente +\begin_inset Formula $(A_{m}\backslash A_{n+m})_{n}$ +\end_inset + +, pues +\begin_inset Formula +\begin{multline*} +\mu\left(\bigcap_{n}A_{n}\right)=\mu\left(A_{m}\backslash\bigcup_{n}(A_{m}\backslash A_{n+m})\right)=\mu(A_{m})-\mu\left(\bigcup_{n}(A_{m}\backslash A_{n+m})\right)=\\ +=\mu(A_{m})-\lim_{n}\mu(A_{m}\backslash A_{n+m})=\mu(A_{m})-(\mu(A_{m})-\lim_{n}\mu(A_{n+m}))=\lim_{n}\mu(A_{n+m}) +\end{multline*} + +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Medida exterior de Lebesgue +\end_layout + +\begin_layout Standard +Una +\series bold +medida exterior +\series default + sobre +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + es una función +\begin_inset Formula $\mu^{*}:{\cal P}(\Omega)\rightarrow[0,+\infty]$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $\mu^{*}(\emptyset)=0$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $A\subseteq B\implies\mu^{*}(A)\leq\mu^{*}(B)$ +\end_inset + + y si +\begin_inset Formula $\{A_{n}\}_{n}$ +\end_inset + + es una sucesión de subconjuntos de +\begin_inset Formula $\Omega$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $\mu^{*}(\bigcup_{n\in\mathbb{N}}A_{n})\leq\sum_{n=1}^{\infty}\mu^{*}(A_{n})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Definimos la +\series bold +medida exterior +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-dimensional de Lebesgue +\series default + de un subconjunto +\begin_inset Formula $B\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + como +\begin_inset Formula +\[ +\lambda_{n}^{*}(B):=\inf\left\{ \sum_{k\in\mathbb{N}}v([a_{k},b_{k})):B\subseteq\dot{\bigcup_{k\in\mathbb{N}}}[a_{k},b_{k})\right\} +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Como +\series bold +teorema +\series default +: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Cada conjunto +\begin_inset Formula $N\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + de medida nula tiene medida exterior 0. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Para cada rectángulo +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-dimensional +\begin_inset Formula $R$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(R)=v(R)$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_deeper +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\leq]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Como el borde de +\begin_inset Formula $R$ +\end_inset + + tiene medida nula, si los extremos de +\begin_inset Formula $R$ +\end_inset + + son +\begin_inset Formula $a<b$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(R)=\lambda_{n}^{*}([a,b))\leq v([a,b))=v(R)$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\geq]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Como el borde de +\begin_inset Formula $R$ +\end_inset + + tiene medida nula podemos suponer que es cerrado y por tanto compacto, + y si +\begin_inset Formula $R\subseteq\bigcup_{k}[a_{k},b_{k})$ +\end_inset + +, existe +\begin_inset Formula $a'_{k}<a_{k}$ +\end_inset + + tal que +\begin_inset Formula $v((a'_{k},b_{k}))\leq v([a_{k},b_{k}))+\frac{\varepsilon}{2^{k}}$ +\end_inset + +. + Al ser +\begin_inset Formula $R$ +\end_inset + + compacto, existen +\begin_inset Formula $k_{1},\dots,k_{m}\in\mathbb{N}$ +\end_inset + + tales que +\begin_inset Formula $R\subseteq\bigcup_{i=1}^{m}(a'_{k_{i}},b_{k_{i}})$ +\end_inset + +, y entonces +\begin_inset Formula $v(R)\leq\sum_{i=1}^{m}v((a'_{k_{i}},b_{k_{i}}))\leq\sum_{k\in\mathbb{N}}v([a_{k},b_{k}))+\varepsilon$ +\end_inset + +. + Tomando ínfimos en los cubrimientos de +\begin_inset Formula $R$ +\end_inset + + de la forma dada y haciendo +\begin_inset Formula $\varepsilon$ +\end_inset + + tender a 0, tenemos +\begin_inset Formula $v(R)\leq\lambda_{n}^{*}(R)$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\end_deeper +\begin_layout Enumerate +Para cada familia finita de rectángulos disjuntos +\begin_inset Formula $\{R_{1},\dots,R_{p}\}$ +\end_inset + +, +\begin_inset Newline newline +\end_inset + + +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(\bigcup_{j=1}^{p}R_{j})=\sum_{j=1}^{p}\lambda_{n}^{*}(R_{j})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_deeper +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\leq]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Por definición. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\geq]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Haciendo los +\begin_inset Formula $R_{j}$ +\end_inset + + un poco más pequeños podemos suponer que son compactos disjuntos y por + tanto separados a una distancia +\begin_inset Formula $\delta>0$ +\end_inset + + usando +\begin_inset Formula $\Vert\cdot\Vert_{\infty}$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $\bigcup_{j=1}^{p}R_{j}$ +\end_inset + + está cubierto por una unión numerable de rectángulos semiabiertos +\begin_inset Formula $[a_{k},b_{k})$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\sum_{k}v([a_{k},b_{k}))\leq\lambda_{n}^{*}(\bigcup_{j=1}^{p}R_{j})+\varepsilon$ +\end_inset + +, podemos suponer que los lados de estos son menores que +\begin_inset Formula $\delta$ +\end_inset + + y por tanto solo pueden cortan a uno de los +\begin_inset Formula $R_{j}$ +\end_inset + +. + Usando el apartado anterior, +\begin_inset Formula +\begin{multline*} +\sum_{j=1}^{p}\lambda_{n}^{*}(R_{j})=\sum_{j=1}^{p}v(R_{j})\leq\sum_{j=1}^{p}\sum_{[a_{k},b_{k})\cap R_{j}\neq\emptyset}v([a_{k},b_{k}))\leq\\ +\leq\sum_{k}v([a_{k},b_{k}))\leq\lambda_{n}^{*}\left(\bigcup_{j=1}^{p}R_{j}\right)+\varepsilon +\end{multline*} + +\end_inset + +y haciendo tender +\begin_inset Formula $\varepsilon$ +\end_inset + + a 0 obtenemos +\begin_inset Formula $\sum_{j=1}^{p}\lambda_{n}^{*}(R_{j})\leq\lambda_{n}^{*}(\bigcup_{j=1}^{p}R_{j})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\end_deeper +\begin_layout Standard +Para +\begin_inset Formula $S\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\varepsilon>0$ +\end_inset + + existe un abierto +\begin_inset Formula $A\supseteq S$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A)\leq\lambda_{n}^{*}(S)+\varepsilon$ +\end_inset + +, y por tanto +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(S)=\inf\{\lambda_{n}^{*}(A):A\supseteq S\text{ abierto}\}$ +\end_inset + +. + +\series bold +Demostración: +\series default + Sea +\begin_inset Formula $([a_{k},b_{k}))_{k}$ +\end_inset + + una sucesión de rectángulos semiabiertos disjuntos dos a dos con +\begin_inset Formula $S\subseteq\bigcup_{k=1}^{+\infty}[a_{k},b_{k})$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\sum_{k=1}^{+\infty}[a_{k},b_{k})<\lambda_{n}^{*}(S)+\frac{\varepsilon}{2}$ +\end_inset + +. + Para cada +\begin_inset Formula $k\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +, existe un rectángulo abierto +\begin_inset Formula $(a'_{k},b_{k})$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $v((a'_{k},b_{k}))<v([a_{k},b_{k}))\frac{\varepsilon}{2^{k+1}}$ +\end_inset + +. + Entonces +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A:=\bigcup_{k=1}^{+\infty}(a'_{k},b_{k}))\leq\sum_{k=1}^{+\infty}((a'_{k},b_{k}))<\sum_{k=1}^{+\infty}(v([a_{k},b_{k}))+\frac{\varepsilon}{2^{k+1}})=\sum_{k=1}^{+\infty}[a_{k},b_{k})+\frac{\varepsilon}{2}<\lambda_{n}^{*}(S)+\frac{\varepsilon}{2}+\frac{\varepsilon}{2}=\lambda_{n}^{*}(S)+\varepsilon$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Section +Medida de Lebesgue +\end_layout + +\begin_layout Standard +\begin_inset Formula $M\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es +\series bold +medible +\series default + ( +\series bold +Lebesgue +\series default +) si +\begin_inset Formula $\forall\varepsilon>0,\exists A_{\varepsilon}:(M'\subseteq A_{\varepsilon}\land\lambda_{n}^{*}(A_{\varepsilon}\backslash M)<\varepsilon)$ +\end_inset + +. + Si +\begin_inset Formula $M$ +\end_inset + + es medible, su +\series bold +medida de Lebesgue +\series default + es +\begin_inset Formula $\lambda_{n}(M):=\lambda_{n}^{*}(M)$ +\end_inset + +. + Todos los abiertos, conjuntos de medida nula y rectángulos +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-dimensionales son medibles. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Como +\series bold +teorema +\series default +, si +\begin_inset Formula $M\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es medible, existe una sucesión de abiertos +\begin_inset Formula $(A_{k})_{k}$ +\end_inset + + tal que su intersección +\begin_inset Formula $B:=\bigcap_{k}A_{k}$ +\end_inset + + cumple que +\begin_inset Formula $M\subseteq B$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $B\backslash M$ +\end_inset + + tiene medida nula. + +\series bold +Demostración: +\series default + Basta tomar los +\begin_inset Formula $A_{k}$ +\end_inset + + tales que +\begin_inset Formula $M\subseteq A_{k}$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A_{k}\backslash M)<\frac{1}{k}$ +\end_inset + + y ver que +\begin_inset Formula $\lambda_{n}(B\backslash M)\leq\lambda_{n}(A_{k}\backslash M)<\frac{1}{k}\forall k\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +conjuntos +\begin_inset Formula $G_{\delta}$ +\end_inset + + +\series default + a las intersecciones numerables de abiertos, por lo que este teorema dice + que los conjuntos medibles son diferencias de un +\begin_inset Formula $G_{\delta}$ +\end_inset + + y un conjunto de medida nula. + Si +\begin_inset Formula $M:=\bigcup_{k}M_{k}$ +\end_inset + + es unión numerable de conjuntos medibles, +\begin_inset Formula $M$ +\end_inset + + es medible y +\begin_inset Formula $\lambda_{n}(M)\leq\sum_{k}\lambda_{n}(M_{k})$ +\end_inset + + sin más que incluir cada +\begin_inset Formula $M_{k}$ +\end_inset + + en un abierto +\begin_inset Formula $A_{k}$ +\end_inset + + a distancia +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A_{k}\backslash M_{k})<\frac{\varepsilon}{2^{k}}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Cada cerrado +\begin_inset Formula $F\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es medible. + +\series bold +Demostración: +\series default + Basta ver que los compactos +\begin_inset Formula $K\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + lo son, pues los cerrados son unión numerable de compactos. + Veamos primero que si +\begin_inset Formula $d(A,B)>0$ +\end_inset + + entonces +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A\cup B)=\lambda_{n}^{*}(A)+\lambda_{n}^{*}(B)$ +\end_inset + +. + Ahora bien, fijado +\begin_inset Formula $\varepsilon>0$ +\end_inset + + existe +\begin_inset Formula $A\supseteq K$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda_{n}(A)\leq\lambda_{n}^{*}(K)+\frac{\varepsilon}{2}<+\infty$ +\end_inset + +. + Como +\begin_inset Formula $A\backslash K$ +\end_inset + + es abierto, es unión numerable de cubos diádicos disjuntos +\begin_inset Formula $([a_{k},b_{k}))_{k}$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A\backslash K)=\sum_{k}\lambda_{n}^{*}([a_{k},b_{k}))$ +\end_inset + +. + Para cada +\begin_inset Formula $k\in\mathbb{N}$ +\end_inset + + existe +\begin_inset Formula $[a_{k},b'_{k}]\subseteq[a_{k},b_{k})$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda_{n}([a_{k},b_{k}))\leq\lambda_{n}^{*}([a_{k},b'_{k}])+\frac{\varepsilon}{2^{k+1}}$ +\end_inset + +. + Como +\begin_inset Formula $K$ +\end_inset + + es compacto, está a distancia positiva de +\begin_inset Formula $\bigcup_{k=1}^{N}[a_{k},b'_{k}]$ +\end_inset + + y por lo demostrado al principio, +\begin_inset Formula $\lambda_{n}(A)\geq\lambda_{n}^{*}\left(K\cup\bigcup_{k=1}^{N}[a_{k},b'_{k}]\right)=\lambda_{n}^{*}(K)+\sum_{k=1}^{n}\lambda([a_{k},b'_{k}])$ +\end_inset + + y despejando de aquí queda que +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A\backslash K)\leq\frac{\varepsilon}{2}+\sum_{k}\lambda_{n}^{*}([a_{k},b'_{k}])\leq\frac{\varepsilon}{2}+\lambda_{n}(A)-\lambda_{n}^{*}(K)<\varepsilon$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Llamamos +\series bold +conjuntos +\begin_inset Formula $F_{\sigma}$ +\end_inset + + +\series default + a las uniones numerables de conjuntos cerrados, y sabemos que son medibles. + Si +\begin_inset Formula $M\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es medible, +\begin_inset Formula $M^{\complement}$ +\end_inset + + también lo es. + +\series bold +Demostración: +\series default + Existe un +\begin_inset Formula $G_{\delta}$ +\end_inset + + +\begin_inset Formula $B:=\bigcap_{k}A_{k}$ +\end_inset + + tl que +\begin_inset Formula $M=B\backslash N$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $N$ +\end_inset + + de medida nula, luego +\begin_inset Formula $M^{\complement}=(B\backslash N)^{\complement}=N\cup B^{\complement}=N\cup B$ +\end_inset + + es medible por ser unión de +\begin_inset Formula $N$ +\end_inset + + que, al tener medida nula, es medible, y +\begin_inset Formula $B^{\complement}=\bigcup A_{k}^{\complement}$ +\end_inset + +, que es un +\begin_inset Formula $F_{\sigma}$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Con esto tenemos, como +\series bold +teorema +\series default +, que la familia de subconjuntos medibles de +\begin_inset Formula $\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es una +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra. + Además, +\begin_inset Formula $M$ +\end_inset + + es medible si y sólo si para +\begin_inset Formula $\varepsilon>0$ +\end_inset + + existe un cerrado +\begin_inset Formula $F_{\varepsilon}\subseteq M$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(M\backslash F_{\varepsilon})<\varepsilon$ +\end_inset + +, si y sólo si existen un +\begin_inset Formula $F_{\sigma}$ +\end_inset + + +\begin_inset Formula $C$ +\end_inset + + y un +\begin_inset Formula $N$ +\end_inset + + de medida nula con +\begin_inset Formula $M=C\cup N$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Como +\series bold +teorema +\series default +, si +\begin_inset Formula $(M_{k})_{k}$ +\end_inset + + es una sucesión de medibles disjuntos, entonces +\begin_inset Formula +\[ +\lambda\left(\bigcup_{k}M_{k}\right)=\sum_{k}\lambda(M_{k}) +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard + +\series bold +Demostración: +\series default + Basta ver que +\begin_inset Formula $\lambda(\bigcup_{k}M_{k})\geq\sum_{k}\lambda(M_{k})$ +\end_inset + +. + Supongamos primero que los +\begin_inset Formula $M_{k}$ +\end_inset + + son acotados, y fijado +\begin_inset Formula $\varepsilon>0$ +\end_inset + +, para cada +\begin_inset Formula $k$ +\end_inset + + elegimos un compacto +\begin_inset Formula $F_{k}\subseteq M_{k}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda(F_{k})<\lambda(M_{k})<\lambda(F_{k})+\frac{\varepsilon}{2^{k}}$ +\end_inset + +. + Estos compactos son disjuntos, luego +\begin_inset Formula $\sum_{k=1}^{m}\lambda(M_{k})<\sum_{k=1}^{m}\lambda(F_{k})+\varepsilon=\lambda(\bigcup_{k}F_{k})+\varepsilon\leq\lambda(\bigcup_{k}M_{k})+\varepsilon$ +\end_inset + +, y haciendo a +\begin_inset Formula $m$ +\end_inset + + tender a infinito obtenemos la desigualdad buscada. + Pasando al caso general, existe una sucesión de rectángulos semiabiertos + disjuntos +\begin_inset Formula $[a_{j},b_{j})$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\bigcup_{k}M_{k}\subseteq\bigcup_{j}[a_{j},b_{j})$ +\end_inset + +, y aplicando lo anterior al conjunto numerable de medibles acotados y disjuntos + +\begin_inset Formula $\{M_{k}\cap[a_{j},b_{j})\}_{j,k\in\mathbb{N}}$ +\end_inset + +, se tiene +\begin_inset Formula $\sum_{k}\lambda(M_{k})=\sum_{j}\sum_{k}\lambda(M_{k}\cap[a_{j},b_{j}))=\sum_{j}\lambda\left(\bigcup_{k}M_{k}\cap[a_{j},b_{j})\right)=\lambda\left(\bigcup_{j}\bigcup_{k}M_{k}\cap[a_{j},b_{j})\right)=\lambda\left(\left(\bigcup_{k}M_{k}\right)\cap\left(\bigcup_{j}[a_{j},b_{j})\right)\right)=\lambda\left(\bigcup_{k}M_{k}\right)$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +El +\series bold +teorema de Caratheodory +\series default + afirma que +\begin_inset Formula $E\subseteq\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es medible Lebesgue si y sólo si +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + es +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}$ +\end_inset + +-medible, es decir, +\begin_inset Formula $\forall A\subseteq\mathbb{R}^{n},\lambda_{n}^{*}(A)=\lambda_{n}^{*}(A\cap E)+\lambda_{n}^{*}(A\cap E^{\complement})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\implies]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Dado +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A)=\lambda_{n}^{*}((A\cap E)\cup(A\cap E^{\complement}))\leq\lambda_{n}^{*}(A\cap E)+\lambda_{n}^{*}(A\cap E^{\complement})$ +\end_inset + +. + Para la otra desigualdad, aproximamos los cubrimientos de +\begin_inset Formula $A$ +\end_inset + + con rectángulos semiabiertos mediante cubrimientos abiertos un poco más + grandes y encontramos un +\begin_inset Formula $G_{\delta}$ +\end_inset + + medible +\begin_inset Formula $H\supseteq A$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(A)=\lambda(H)=\lambda(H\cap E)+\lambda(H\cap E^{\complement})\geq\lambda_{n}^{*}(A\cap E)+\lambda_{n}^{*}(A\cap E^{\complement})$ +\end_inset + +, ya que +\begin_inset Formula $H$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + son medibles. +\end_layout + +\begin_layout Itemize +\begin_inset Argument item:1 +status open + +\begin_layout Plain Layout +\begin_inset Formula $\impliedby]$ +\end_inset + + +\end_layout + +\end_inset + +Si la medida exterior de +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + es finita, vemos que existe un +\begin_inset Formula $G_{\delta}$ +\end_inset + + medible +\begin_inset Formula $H\supseteq E$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(E)=\lambda(H)$ +\end_inset + +, y poniendo +\begin_inset Formula $A=H$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\lambda_{n}^{*}(E)=\lambda(H)=\lambda_{n}^{*}(H\cap E)+\lambda_{n}^{*}(H\cap E^{\complement})=\lambda_{n}^{*}(E)+\lambda_{n}^{*}(H\backslash E)$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $H\backslash E$ +\end_inset + + tiene medida nula y por tanto es medible y +\begin_inset Formula $E=H\backslash(H\backslash E)$ +\end_inset + + también lo es. + Si la medida exterior de +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + es infinita, sea +\begin_inset Formula $E_{k}=E\cap[-k,k]^{n}$ +\end_inset + + para cada +\begin_inset Formula $k\in\mathbb{N}$ +\end_inset + +, cada uno de estos conjuntos tiene medida exterior finita y se puede aproximar + exteriormente por un +\begin_inset Formula $G_{\delta}$ +\end_inset + + +\begin_inset Formula $H_{k}$ +\end_inset + + con +\begin_inset Formula $\lambda(H_{k})=\lambda_{n}^{*}(E_{k})$ +\end_inset + +, y haciendo +\begin_inset Formula $A=H_{k}$ +\end_inset + + para cada +\begin_inset Formula $k$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $\lambda(H_{k})=\lambda_{n}^{*}(H_{k}\cap E)+\lambda_{n}^{*}(H_{k}\cap E^{\complement})\geq\lambda_{n}^{*}(E_{k})$ +\end_inset + +, con lo que +\begin_inset Formula $H_{k}\cap E^{\complement}$ +\end_inset + + tiene medida nula y como +\begin_inset Formula $H:=\bigcup_{k}H_{k}$ +\end_inset + + es medible, entonces +\begin_inset Formula $E\subseteq H$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $H\cap E^{\complement}=\bigcup_{k}H_{k}\cap E^{\complement}$ +\end_inset + + tiene medida nula, luego +\begin_inset Formula $E=H\backslash(H\cap E^{\complement})$ +\end_inset + + es medible. +\end_layout + +\begin_layout Section +Invarianza +\end_layout + +\begin_layout Standard +El +\series bold + teorema de invarianza por traslaciones +\series default + afirma que: +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Las +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebras de los conjuntos de Borel +\begin_inset Formula ${\cal B}(\mathbb{R}^{n})$ +\end_inset + + y los medibles Lebesgue +\begin_inset Formula ${\cal M}(\lambda_{n})$ +\end_inset + + son invariantes por traslaciones. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Para +\begin_inset Formula ${\cal M}(\lambda_{n})$ +\end_inset + +, el traslado de un rectángulo +\begin_inset Formula $n$ +\end_inset + +-dimensional semiabierto es otro con el mismo volumen. + Para +\begin_inset Formula ${\cal B}(\mathbb{R}^{n})$ +\end_inset + +, la familia de los traslados de una +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra es una +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra, y como el traslado de un abierto es un abierto, +\begin_inset Formula $x+{\cal B}(\mathbb{R}^{n})\subseteq{\cal B}(\mathbb{R}^{n})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +La medida de Lebesgue es invariante por traslaciones. +\end_layout + +\begin_layout Enumerate +Si +\begin_inset Formula $\mu$ +\end_inset + + es una medida definida en +\begin_inset Formula ${\cal B}(\mathbb{R}^{n})$ +\end_inset + + e invariante por traslaciones, entonces +\begin_inset Formula $\mu=c\lambda_{n}$ +\end_inset + +, donde +\begin_inset Formula $c:=\mu([0,1)^{n})$ +\end_inset + +. +\begin_inset Newline newline +\end_inset + +Si +\begin_inset Formula $\mu$ +\end_inset + + es invariante por traslaciones, +\begin_inset Formula $\mu$ +\end_inset + + y +\begin_inset Formula $c\lambda_{n}$ +\end_inset + + son iguales para los cubos diádicos y por tanto también para los abiertos. + Como la familia de conjuntos donde ambas medidas coinciden es una +\begin_inset Formula $\sigma$ +\end_inset + +-álgebra que contiene a los abiertos, también contiene a todos los elementos + de +\begin_inset Formula ${\cal B}(\mathbb{R}^{n})$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\begin_layout Standard +Una aplicación +\begin_inset Formula $T:\mathbb{R}^{n}\rightarrow\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es una +\series bold +transformación Lipschitziana +\series default + si +\begin_inset Formula +\[ +\exists c\in\mathbb{R}:\forall x,y\in\mathbb{R}^{n},\Vert T(x)-T(y)\Vert\leq c\Vert x-y\Vert +\] + +\end_inset + + +\end_layout + +\begin_layout Standard +Como +\series bold +teorema +\series default +, toda aplicación Lipschitziana lleva conjuntos medibles a conjuntos medibles. + +\series bold +Demostración: +\series default + Al ser +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + continua, lleva compactos a compactos. + Como los cerrados son uniones numerables de compactos, +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + lleva conjuntos +\begin_inset Formula $F_{\sigma}$ +\end_inset + + a conjuntos +\begin_inset Formula $F_{\sigma}$ +\end_inset + +. + Como lleva intervalos +\begin_inset Formula $[a,b)$ +\end_inset + + a conjuntos +\begin_inset Formula $F_{\sigma}$ +\end_inset + + contenidos en un diámetro menor que +\begin_inset Formula $c\cdot\text{diám}([a,b))$ +\end_inset + +, +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + lleva conjuntos de medida nula a otros de medida nula. + Como cada conjunto medible es unión de un +\begin_inset Formula $F_{\sigma}$ +\end_inset + + y uno de medida nula, +\begin_inset Formula $T$ +\end_inset + + lleva medibles a medibles. +\end_layout + +\begin_layout Standard +De estos dos teoremas se deduce el +\series bold +teorema para transformaciones lineales +\series default +, que afirma que si +\begin_inset Formula $T:\mathbb{R}^{n}\rightarrow\mathbb{R}^{n}$ +\end_inset + + es lineal y +\begin_inset Formula $E$ +\end_inset + + es medible, +\begin_inset Formula $\lambda_{n}(T(E))=c\lambda_{n}(E)$ +\end_inset + +, donde +\begin_inset Formula $c:=\lambda_{n}(T([0,1)^{n}))=|\det(T)|$ +\end_inset + +. +\end_layout + +\end_body +\end_document |
