Autor Tema: Sobre el conjunto de Cantor

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03 Diciembre, 2021, 04:21 pm
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Dark

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Encontré otro camino pero me surgen algunas dudas:

Una manera de definir el conjunto de cantor $$C$$ es como sigue: Sean $$F_0=\{1\}\ \mbox{y}\ F_j=\{3s-2,3s\}$$ donde $$s\in F_{j-1}, j=1,2,3,...$$

De esta manera, vemos que $$F_1=\{1,3\},\ F_2=\{1,3,7,9\},\ F_3=\{1,3,7,9,19,21,25,27\}$$, y así sucesivamente. Se podría decir que cada $$F_k$$ tiene $$2^k$$ elementos, $$k=0,1,2,3,...$$.

Para cada $$k$$, definimos los conjuntos $$C_k$$ como la unión de $$2^k$$ intervalos de la forma $$I_{r_j}^k=\left[\frac{r_{j-1}}{3^k},\frac{r_j}{3^k}\right]$$ donde $$j=1,2,...,2^k$$ y $$r_j\in F_j$$ para $$k=0,1,2,3,...$$. Esto es $$C_k=I_{r_1}^k\cup I_{r_2}^k\cup\cdots \cup I_{r_{2^k}}^k.$$ Por ejemplo,

$$C_0=[0,1],$$ $$C_1=\left[0,\frac{1}{3}\right]\bigcup\left[\frac{2}{3},1\right],$$ $$C_2=\left[0,\frac{1}{9}\right]\bigcup\left[\frac{2}{9},\frac{3}{9}\right]\bigcup\left[\frac{6}{9},\frac{7}{9}\right]\bigcup\left[\frac{8}{9},1\right]$$

Se define el conjunto de Cantor como $$C=\bigcap_{k=0}^{\infty}C_k$$

Podemos interpretar la construcción anterior del modo siguiente:

Del intervalo $$[0,1]$$ quitamos el tercio medio $$E_1=(\frac{1}{3},\frac{2}{3})$$ y obtenemos el conjunto $$C_1=[0,1]\setminus E_1^1$$ Por lo que nos quedan dos subintervalos: $$[0,\frac{1}{3}]$$ y $$[\frac{2}{3},1]$$. De cada uno de estos quitamos los tercios medios $$E_2^1=(\frac{1}{9},\frac{2}{9})$$ y $$E_2^2=(\frac{7}{9},\frac{8}{9})$$, respectivamente, y se obtiene el conjunto $$C_2=([0,\frac{1}{3}]\setminus E_2^1)\cup ([\frac{2}{3},1]\setminus E_2^2)=C_1\setminus (E_2^1\cup E_2^2)$$ los subintervalos que nos quedan son: $$[0,\frac{1}{9}], [\frac{2}{9},\frac{3}{9}], [\frac{6}{9},\frac{7}{9}]$$ y $$[\frac{8}{9},1]$$.

Nuevamente, eliminamos de cada uno de estos los tercios medios
$$E_3^1=\left(\frac{1}{27},\frac{2}{27}\right),\quad E_3^2=\left(\frac{7}{27},\frac{8}{27}\right),\quad E_3^3=\left(\frac{19}{27},\frac{20}{27}\right),\quad E_3^4=\left(\frac{25}{27},\frac{26}{27}\right),$$ y se obtiene el conjunto $$C_3=C_2\setminus\left(\bigcup_{k=1}^{2^{3-1}}E_3^k\right)$$
En general, si se definen los subintervalos de $$[0,1]$$ $$E_n^j=\left(\frac{3s_j-2}{3^n},\frac{3s_j-1}{3^n}\right)$$ para $$s_j\in F_{n-1},\ j=1,2,...,2^{n-1},\ n=1,2,3,...$$ y hacemos $$E_n=\bigcup_{j=1}^{2^{n-1}}E_n^j,$$ entonces el conjunto de Cantor es $$C=[0,1]\setminus\bigcup_{n=1}^{\infty}E_n.$$ el complemento de un abierto en [0,1].

Por otro lado, cada número real se puede expresar en diferentes bases, en particular si $$x\in [0,1]$$, entonces puede expresarse en base 3 de la forma $$x=\sum_{m=1}^{\infty}\frac{\alpha_m}{3^m}=0.\alpha_1\alpha_2\alpha_3...$$ donde $$\alpha_m\in\{0,1,2\}$$. Esta expresión se llama la expansión ternaria de $$x$$.

Existe una proposición que dice: Sea $$x\in [0,1]$$. $$x\in C_k$$ si y solo si $$x$$ tiene una expansión ternaria de la forma $$0.\alpha_1\alpha_2\alpha_3...$$, donde $$\alpha_i\neq 1$$ para $$i=1,...,k$$. Además $$\alpha_1,\alpha_2,\alpha_3,...,\alpha_k$$ son constantes en cada uno de los intervalos de $$C_k$$ para cada $$k=0,1,2,3,...$$.       

Vamos a definir una función: $$\psi:[0,1]\longrightarrow [0,1]$$ de tal manera que si $$E_n^j$$ es uno de los intervalos abiertos que se eliminaron en la construcción de $$C$$, entonces para $$y\in E_n^j$$, definamos

$$\psi(y)=\psi\left(\frac{s_j-2}{3^n}\right)=\psi\left(\frac{3s_j-1}{3^n}\right)$$

y para cada $$x\in C$$, con expansión ternaria $$x=0.\alpha_1\alpha_2\alpha_3...,$$ definamos $$\psi(x)=0.\frac{\alpha_1}{2}\frac{\alpha_2}{2}\frac{\alpha_3}{2}...$$ donde la expresión de la derecha se debe interpretar como una expansión binaria en términos de los dígitos 0 y 1. A la función $$\psi$$ se le llama la función ternaria de cantor.

Ahora definamos la función $$\Omega$$ como: $$\Omega: [0,1]\longrightarrow[0,2]$$ $$\Omega(x)=x+\psi(x)$$ Como $$\psi$$ es creciente y continua en $$[0,1]$$, Por qué $$\Omega$$ es estrictamente creciente y uno-a-uno, con inversa $$\Omega^{-1}$$, continua en $$[0,2]$$.

Cada intervalo removido de $$[0,1]$$ en la construcción del conjunto de Cantor $$C$$ es enviado por $$\Omega$$ a un intervalo de $$[0,2]$$ de la misma longitud que el original pues esta función es sobre.

En efecto, sea $$\left(\frac{3s_j-2}{3^n},\frac{3s_j-1}{3^n}\right)$$ el n-ésimo intervalo removido en la construcción de $$C$$. Entonces se tiene


$$\lambda\left(\frac{3s_j-2}{3^n},\frac{3s_j-1}{3^n}\right)=\frac{3s_j-1}{3^n}-\frac{3s_j-2}{3^n}=\frac{1}{3^n}$$

Además, $$\Omega\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)=\frac{3s_j-2}{3^n}+$$$$\frac{m}{2^k},$$ No entiendo bien de donde sale esta parte de rojo.

$$\Omega\left(\frac{3s_j-1}{3^n}\right)=\frac{3s_j-1}{3^n}+\frac{m}{2^k}$$ Por lo que


\begin{align*}
\lambda\left(\Omega\left(\frac{3s_j-2}{3^n},\frac{3s_j-1}{3^n}\right)\right)&=\lambda\left(\frac{3s_j-2}{3^n}+\frac{m}{2^k},\frac{3s_j-1}{3^n}+\frac{m}{2^k}\right)\\
&=\frac{3s_j-1}{3^n}+\frac{m}{2^k}-\frac{3s_j-2}{3^n}-\frac{m}{2^k}\\
&=\frac{1}{3^n}
\end{align*}

De esta manera $$\lambda(\Omega([0,1]\setminus C))=\lambda([0,1]\setminus C)=1$$ Pero veremos a continuación que $$\lambda(\Omega(C))=1,$$ En efecto, notemos que $$\lambda(\Omega([0,1]))=\lambda([0,2])=2,$$ En consecuencia, si $$I=[0,1]$$, entonces $$\lambda(\Omega(I\setminus C))=1.$$
Además,
\begin{align*}
\lambda(\Omega(I\setminus C))&=\lambda(\Omega(I)\setminus\Omega(C))\\
&=\lambda(\Omega(I))-\lambda(\Omega(C))\\        
&=2-\lambda(\Omega(C))
\end{align*}
Por lo que $$\lambda(\Omega(C))=2-1=1.$$

Como $$C$$ es un conjunto de medida cero, $$\Omega$$ es un ejemplo de un homeomorfismo que envía un conjunto de medida cero a un conjunto de medida positiva.

Sea $$D$$ un subconjunto no medible de $$\Omega(C)$$. Entonces $$\Omega^{-1}(D)$$ es un subconjunto de $$C$$ y es así también un conjunto Lebesgue medible de medida cero (pues $$\lambda$$ es completa). Por lo tanto $$\Omega$$ es un ejemplo de un homeomorfismo que envía un conjunto medible en un conjunto no medible. $$\Omega^{-1}(D)$$ es un conjunto Lebesgue medible, pero como es la imagen bajo un homeomorfismo de un conjunto que no es Borel-medible, $$\Omega^{-1}(D)$$ no es un conjunto de Borel.

03 Diciembre, 2021, 10:11 pm
Respuesta #1

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Pero todo esto que has escrito ahora no tiene nada que ver con el tema original, son cosas relacionadas a la definición del conjunto de Cantor. Procedo a crear tema nuevo donde discutir estas cosas.

Encontré otro camino pero me surgen algunas dudas:

Una manera de definir el conjunto de cantor $$C$$ es como sigue: Sean $$F_0=\{1\}\ \mbox{y}\ F_j=\{3s-2,3s\}$$ donde $$s\in F_{j-1}, j=1,2,3,...$$

De esta manera, vemos que $$F_1=\{1,3\},\ F_2=\{1,3,7,9\},\ F_3=\{1,3,7,9,19,21,25,27\}$$, y así sucesivamente. Se podría decir que cada $$F_k$$ tiene $$2^k$$ elementos, $$k=0,1,2,3,...$$.

Supongo, la verdad es que la definición de los \( F_j \) no es buena, debería ser \( F_j:=A_j\cup B_j \), con \( A_j:=\{3s-2:s\in F_{j-1}\} \) y \( B_j:=\{3s:s\in F_{j-1}\} \). Si resulta que \( A_j\cap B_j=\emptyset  \) para todo \( j\geqslant 1 \) entonces sí, tendríamos que \( \operatorname{card}(F_j)=2\cdot \operatorname{card}(F_{j-1}) \), y por tanto \( \operatorname{card}(F_j)=2^j\cdot \operatorname{card}(F_0)=2^j \). Ahora es muy tarde, mañana miro cómo podríamos demostrar eso.

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Ahora definamos la función $$\Omega$$ como: $$\Omega: [0,1]\longrightarrow[0,2]$$ $$\Omega(x)=x+\psi(x)$$ Como $$\psi$$ es creciente y continua en $$[0,1]$$, Por qué $$\Omega$$ es estrictamente creciente y uno-a-uno, con inversa $$\Omega^{-1}$$, continua en $$[0,2]$$.

Ahí \( \Omega  \) es suma de dos funciones estrictamente crecientes, positivas y continuas, de ahí se sigue que es continua y estrictamente creciente, lo que implica que es inyectiva. Por último es fácil de ver que \( \Omega (1)=2 \), por tanto es también sobreyectiva, ergo biyectiva. Finalmente, como \( [0,1] \) es compacto entonces la imagen de todo subconjunto cerrado es un subconjunto cerrado (y compacto) en \( [0,2] \), lo que implica que \( \Omega  \) es una función abierta, y por tanto \( \Omega ^{-1} \) es continua.

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Además, $$\Omega\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)=\frac{3s_j-2}{3^n}+$$$$\frac{m}{2^k},$$ No entiendo bien de donde sale esta parte de rojo.

Eso debe ser \( \psi\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right) \) aunque no veo de dónde sale la \( m \).

03 Diciembre, 2021, 10:45 pm
Respuesta #2

Dark

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Yo creería que
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Además, $$\Omega\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)=\frac{3s_j-2}{3^n}+$$$$\frac{m}{2^k},$$ No entiendo bien de donde sale esta parte de rojo.

Eso debe ser \( \psi\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right) \) aunque no veo de dónde sale la \( m \).

Yo creería que $$\psi\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)=\frac{k\alpha_m}{2^k}$$ ?

Además, tengo otra duda por qué $$\lambda(\Omega([0,1]\setminus C))=1$$ más especificamente por qué $$\Omega([0,1]\setminus C))=[0,1]\setminus C$$ ?

04 Diciembre, 2021, 12:38 pm
Respuesta #3

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Yo creería que
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Además, $$\Omega\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)=\frac{3s_j-2}{3^n}+$$$$\frac{m}{2^k},$$ No entiendo bien de donde sale esta parte de rojo.

Eso debe ser \( \psi\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right) \) aunque no veo de dónde sale la \( m \).

Yo creería que $$\psi\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)=\frac{k\alpha_m}{2^k}$$ ?

Sí, algo así, ahí \( m/2^k \) es la conversión a expansión binaria de \( (3s_2-2)/3^n \). La verdad es que da igual el valor que tome \( \psi  \) en los extremos de los intervalos \( E_n^j \) porque \( \psi  \) es constante en cada uno de esos intervalos, y al tomar la medida de Lebesgue de \( \Omega (E_n^j) \) esos valores se cancelan.

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Además, tengo otra duda por qué $$\lambda(\Omega([0,1]\setminus C))=1$$ más especificamente por qué $$\Omega([0,1]\setminus C))=[0,1]\setminus C$$ ?

Porque se tiene que \( \lambda (\Omega (E_n^j))=\lambda (E_n^j)=3^{-n} \) para todo \( j,n\in \mathbb{N} \), entonces tenemos que \( \lambda(E_n)=\frac{2^{n-1}}{3^n} \) y por tanto \( \lambda (\bigcup_{n\geqslant }E_n)=\sum_{n\geqslant 1}\frac{2^{n-1}}{3^n}=\frac1{2}\cdot \frac{2/3}{1-2/3}=1 \), y \( [0,1]\setminus C=\bigcup_{n\geqslant 1}E_n \). Sin embargo eso no significa que \( \Omega([0,1]\setminus C)=[0,1]\setminus C \).



Añado: creo que se puede demostrar \( \operatorname{card}(F_j)=2\cdot \operatorname{card}(F_{j-1})  \) partiendo de la hipótesis inductiva de que todos los elementos de cada \( F_j \) tienen una estructura particular en su expansión en base tres (creo que no tienen dígitos con valor uno). Creo, habría que probar, pero de momento, de todo lo que he pensado, es lo que tiene más visos de funcionar.

Además, respecto a mi primer comentario en este hilo, hay una imprecisión, y es que la función \( \psi  \) es creciente, no estrictamente creciente. Igualmente, al ser la función identidad estrictamente creciente, es fácil de comprobar que \( \Omega := \operatorname{id}+\psi  \) es también estrictamente creciente.

05 Diciembre, 2021, 10:30 pm
Respuesta #4

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Entonces sería mejor dejarlo así indicado $$\psi\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)$$ y $$\psi\left(\frac{3s_j-1}{3^n}\right)$$ ya que ambos tomarán el mismo valor por ser $$\psi$$ constante en cada intervalo $$E_n^j$$ y al final se van a cancelar.

Cuando dice que es fácil ver que $$\Omega(1)=2$$, lo que habría que ver es que $$\psi(1)=1$$ pero basándome en como está definida $$\psi$$, primero tendríamos que $$1=1_3=0.2222...$$ luego, $$\psi(0.2222...)=0.(2/2)(2/2)(2/2)...=0.1111...$$ pero $$1_2=0.1111...$$. Ese sería el argumento o es de otra manera?


En la conclusión final, no lo veo claro todavía. 
$$\Omega^{-1}(D)$$ es un conjunto Lebesgue medible, pero como es la imagen bajo un homeomorfismo de un conjunto que no es Borel-medible, $$\Omega^{-1}(D)$$ no es un conjunto de Borel.

Qué pasaría si $$\Omega^{-1}(D)$$ fuera Borel medible?

06 Diciembre, 2021, 12:41 pm
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Entonces sería mejor dejarlo así indicado $$\psi\left(\frac{3s_j-2}{3^n}\right)$$ y $$\psi\left(\frac{3s_j-1}{3^n}\right)$$ ya que ambos tomarán el mismo valor por ser $$\psi$$ constante en cada intervalo $$E_n^j$$ y al final se van a cancelar.

Cuando dice que es fácil ver que $$\Omega(1)=2$$, lo que habría que ver es que $$\psi(1)=1$$ pero basándome en como está definida $$\psi$$, primero tendríamos que $$1=1_3=0.2222...$$ luego, $$\psi(0.2222...)=0.(2/2)(2/2)(2/2)...=0.1111...$$ pero $$1_2=0.1111...$$. Ese sería el argumento o es de otra manera?

Claro, ése es el argumento.

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En la conclusión final, no lo veo claro todavía. 
$$\Omega^{-1}(D)$$ es un conjunto Lebesgue medible, pero como es la imagen bajo un homeomorfismo de un conjunto que no es Borel-medible, $$\Omega^{-1}(D)$$ no es un conjunto de Borel.

Qué pasaría si $$\Omega^{-1}(D)$$ fuera Borel medible?

De la definición de una función medible \( f:X\to Y \), para espacios medibles \( (X,\mathcal{X}),\, (Y,\mathcal{Y}) \), se tiene que toda función continua es Borel-medible, por tanto como \( \Omega  \) es un homeomorfismo entonces tenemos que \( \Omega ^{-1}(D) \) es Borel si y solo si \( D \) lo es.

Entonces, si \( D \) no es medible como \( \lambda (\Omega^{-1} (D))=0 \) y \( \lambda  \) es completa se tiene que \( \Omega^{-1}(D) \) no es un conjunto de Borel aunque sí es medible.