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Matemática => Análisis Matemático => Teoría de la Medida - Fractales => Mensaje iniciado por: zimbawe en 25 Febrero, 2021, 03:22 am

Título: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 25 Febrero, 2021, 03:22 am
Buena noche para todos. Tengo el siguiente problema que creo que resolví, pero igual, les agradecería si me dicen si es correcta la demostración.
Mil gracias.
El problema es el siguiente
Sea \( A_{1}, A_{2}, A_{3}, ...  \) una secuencia de conjuntos medibles contenidos en la bola \(  B(0,1)\subset{\mathbb{R^{n}}} \)
Asuma, que para algún \(  \epsilon>0 \) pasa que \(  m(A_{k})\geq{\epsilon}  \) pruebe que existe algún punto que pertenece a infinitos de los \(  A_{k} \)
Mi intento de demostración:
Primero, los \(  A_{k}  \) no pueden ser todos disjuntos, si así fuese \(  m(\bigcup_{k=1}^{\infty} A_{k})=\displaystyle\sum_{k=1}^\infty{m(A_{k})} \geq{\displaystyle\sum_{i=1}^\infty{\epsilon} }  \) y esa serie no converge.
Es más:
Teniendo en cuenta esto, sea N-1, la cantidad de estos conjuntos que pueden ser disjuntos dos a dos.
Ahora, sea \(  I=\left \{ N, N+1, ... \right \}  \) un conjunto de indices.
Ahora, tenemos que:
\(  A_{i}\cap{A_{j}}\neq \emptyset  \) para algún i diferente de j, ambos en I.
Ahora, supongamos que no existe ningún \(  x  \) que pertenezca a infinitos \( A_{i}  \) con \(  i \in{I}  \)
Por \( ^{(*)} \) tenemos que, existe un número \(  d  \) tal que
\(  \displaystyle\sum_{i=N}^\infty{m(A_{i})} \leq{dm(\bigcup_{i=N}^{\infty} A_{i})}  \)
Pero:
\( \displaystyle\sum_{i=N}^\infty{\epsilon}\leq{} \displaystyle\sum_{i=N}^\infty{m(A_{i})} \leq{dm(\bigcup_{i=N}^{\infty} A_{i})}  \)
y
\(  \displaystyle\sum_{i=N}^\infty{\epsilon}  \) no converge y \(  dm(\bigcup_{i=N}^{\infty} A_{i})  \) si.
Luego, existe x que pertenece a infinitos \(  A_{k}  \)



\( ^{(*)} \)
Suponga que
\( A_{1}, A_{2}, A_{3}, ...  \) es una secuencia de conjuntos medibles, y suponga que \( d  \)  es un número natural  tal que cada punto \(  x  \)de \( \mathbb{R^{n}}  \) no pertenece a más de \(  d  \) de los \( A^{´}_{k} s \)
Entonces
\(  \displaystyle\sum_{i=1}^\infty{m(A_{i})} \leq{dm(\bigcup_{i=1}^{\infty} A_{i})}  \)


Para ese problema, encontré otra prueba, pero quiero saber si la mía en particular, está bien.
Mil gracias.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Luis Fuentes en 25 Febrero, 2021, 09:26 am
Hola

Buena noche para todos. Tengo el siguiente problema que creo que resolví, pero igual, les agradecería si me dicen si es correcta la demostración.
Mil gracias.
El problema es el siguiente
Sea \( A_{1}, A_{2}, A_{3}, ...  \) una secuencia de conjuntos medibles contenidos en la bola \(  B(0,1)\subset{\mathbb{R^{n}}} \)
Asuma, que para algún \(  \epsilon>0 \) pasa que \(  m(A_{k})\geq{\epsilon}  \) pruebe que existe algún punto que pertenece a infinitos de los \(  A_{k} \)
Mi intento de demostración:
Primero, los \(  A_{k}  \) no pueden ser todos disjuntos, si así fuese \(  m(\bigcup_{k=1}^{\infty} A_{k})=\displaystyle\sum_{k=1}^\infty{m(A_{k})} \geq{\displaystyle\sum_{i=1}^\infty{\epsilon} }  \) y esa serie no converge.
Es más:
Teniendo en cuenta esto, sea N-1, la cantidad de estos conjuntos que pueden ser disjuntos dos a dos.
Ahora, sea \(  I=\left \{ N, N+1, ... \right \}  \) un conjunto de indices.
Ahora, tenemos que:
\(  A_{i}\cap{A_{j}}\neq \emptyset  \) para algún i diferente de j, ambos en I.
Ahora, supongamos que no existe ningún \(  x  \) que pertenezca a infinitos \( A_{i}  \) con \(  i \in{I}  \)
Por * tenemos que, existe un número \(  d  \) tal que
\(  \displaystyle\sum_{i=N}^\infty{m(A_{i})} \leq{dm(\bigcup_{i=N}^{\infty} A_{i})}  \)

No entiendo muy bien como justificas eso. Dices por (*), pero no sé a que hace alusión ese asterisco.

Saludos.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 25 Febrero, 2021, 09:59 am
Hola Luis. * Aparece abajo, es un teorema que ya probé.
Ahora, si existe un x que no pertenece a infinitos \(  A_{k}  \) entonces todo \(  x  \) en \(  \mathbb{R^{n}}  \) debe estar a lo más en una cantidad finita de los Ak. Pues no existe un \(  x  \) que esté en una cantidad infinita de ellos.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Luis Fuentes en 25 Febrero, 2021, 06:12 pm
Hola

Buena noche para todos. Tengo el siguiente problema que creo que resolví, pero igual, les agradecería si me dicen si es correcta la demostración.
Mil gracias.
El problema es el siguiente
Sea \( A_{1}, A_{2}, A_{3}, ...  \) una secuencia de conjuntos medibles contenidos en la bola \(  B(0,1)\subset{\mathbb{R^{n}}} \)
Asuma, que para algún \(  \epsilon>0 \) pasa que \(  m(A_{k})\geq{\epsilon}  \) pruebe que existe algún punto que pertenece a infinitos de los \(  A_{k} \)
Mi intento de demostración:
Primero, los \(  A_{k}  \) no pueden ser todos disjuntos, si así fuese \(  m(\bigcup_{k=1}^{\infty} A_{k})=\displaystyle\sum_{k=1}^\infty{m(A_{k})} \geq{\displaystyle\sum_{i=1}^\infty{\epsilon} }  \) y esa serie no converge.
Es más:
Teniendo en cuenta esto, sea N-1, la cantidad de estos conjuntos que pueden ser disjuntos dos a dos.
Ahora, sea \(  I=\left \{ N, N+1, ... \right \}  \) un conjunto de indices.

Me sigue haciendo falta más aclaración. ¿El conjunto \( I \) es simplemente los números de \( N \) en adelante?.

Citar
Ahora, tenemos que:
\(  A_{i}\cap{A_{j}}\neq \emptyset  \) para algún i diferente de j, ambos en I.

¿Qué quieres decir exactamente ahí?. Que para cada \( i\in I \), existe un \( j\in I \) tal que \( A_i\cap A_j\neq\emptyset \)?. ¿Qué cualquier par de conjuntos distintos \( A_i,A_j \) con \( i,j\in I \) se cortan?. ¿Por qué?.

Saludos.

P.D. He arreglado la cita de tu mensaje para que se vea más clara.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 25 Febrero, 2021, 07:37 pm
Hola Luis. Si, ese conjunto I es el conjunto N en adelante.
Y también quiero decir que, para cada i existe al menos un j tal que la intersección entre \(  A_{i}  \) y \(  A_{j}  \) es diferente de vacío.
Teniendo en cuenta que podemos escoger los disjuntos cómo \(  A_{1}, A_{2}, ..., A_{N-1}  \) si no son estos, pues escogemos un reordenamiento del conjunto para que lo sean.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Luis Fuentes en 25 Febrero, 2021, 07:45 pm
Hola

Hola Luis. Si, ese conjunto I es el conjunto N en adelante.
Y también quiero decir que, para cada i existe al menos un j tal que la intersección entre \(  A_{i}  \) y \(  A_{j}  \) es diferente de vacío.
Teniendo en cuenta que podemos escoger los disjuntos cómo \(  A_{1}, A_{2}, ..., A_{N-1}  \) si no son estos, pues escogemos un reordenamiento del conjunto para que lo sean.

mmmm entiendo que \( N-1 \) es el máximo número posible de conjuntos disjuntos dos a dos. Pero no veo porque eso implica que, por ejemplo, para \( A_N \) tenga que haber algún conjunto \( A_j \) con \( j>N \) tal que \( A_N \) corta a \( A_j \). ¿Por qué no podría ser disjunto de todos los \( A_j \) con \( j>N \)?. En todos caso lo que no puede ocurrir es que \( A_N \) sea disjunto con los \( N-1 \) primeros.

Saludos.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 25 Febrero, 2021, 08:32 pm
Porque si fuera disjunto con todos los \(  A_{j}  \) los podríamos meter dentro de los A_{N-1}
Igual, creo que sí ese fuera el caso, que tú mencionas. El Argumento seguiría funcionando igual.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 25 Febrero, 2021, 09:07 pm
Hola Luis. Encontré esa fuga que tú mencionas en mi argumento.
Pero si quitamos esa imprecisión, el argumento sigue funcionando, no?
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Luis Fuentes en 26 Febrero, 2021, 09:20 am
Hola

Hola Luis. Encontré esa fuga que tú mencionas en mi argumento.
Pero si quitamos esa imprecisión, el argumento sigue funcionando, no?

Pues sinceramente sigo sin verlo. Dices:

Por \( ^{(*)} \) tenemos que, existe un número \(  d  \) tal que
\(  \displaystyle\sum_{i=N}^\infty{m(A_{i})} \leq{dm(\bigcup_{i=N}^{\infty} A_{i})}  \)

Pero \( ^{(*)} \) no afirma la existencia de ningún \( d \). La existencia de \( d \) es parte de la hipótesis. Y yo no veo que previamente hayas probado la existencia de ese \( d \) para poder aplicar el resultado. En caso afirmativo, ¿cuál sería ese \( d \) y por que?.

Lo que puede deducirse de lo que haces es que precisamente por \( ^{(*)} \) y del hecho de que \( m(A_{k})\geq{\epsilon} \), no pueden cumplirse las hipótesis de \( ^{(*)} \), es decir, para todo \( d \) natural existe un \( x \) que pertenece a más de \( d \) conjuntos.

Si ese \( x \) fuese el mismo para todos los \( d \) habrías terminado: pertenecería a infinitos conjuntos.

Pero sin más argumentación no tiene porqué ser así.

Saludos.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 26 Febrero, 2021, 09:26 am
Hola Luis. Voy a tratar de reescribir la idea, para que me corrijas.
O sea, lo que hacemos es suponer que no existe \(  x  \) que pertenezca a una cantidad infinita de los \(  A_{k}  \) si eso es cierto entonces cada \(  x  \) pertenecería a una cantidad finita de los \(  A_{k}  \). Si suponemos que \(  d  \) es el número más grande para el que eso sucede, que existe y existe porque hemos supuesto que no existe ningún x que pertenezca a una cantidad infinita de los \(  A_{k}  \)
Entonces los \(  A_{k}  \) cumplirían las hipótesis de * ¿No?
Voy a adjuntar * a modo de imagen.
Gracias de nuevo Luis.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Luis Fuentes en 26 Febrero, 2021, 12:26 pm
Hola

Si suponemos que \(  d  \) es el número más grande para el que eso sucede, que existe y existe porque hemos supuesto que no existe ningún x que pertenezca a una cantidad infinita de los \(  A_{k}  \)

Pero ese es el matiz; que no exista ningún \( x \) que pertenezca a un cantidad infinita de conjuntos no quiere decir necesariamente que exista un máximo para el cuál no existen elementos \( x \) en más se \( d \) conjuntos.

Imagina que exista un \( x_1 \) en \( 1 \) conjunto.
Un \( x_2 \) en dos conjuntos.
Un \( x_3  \)en tres conjuntos.
Y así sucesivamente. Entonces no hay ningún \( x \) en un número infinito de conjuntos; pero sin embargo no está acotado el número máximo de conjuntos que puede contener a un conjunto.

Saludos.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 26 Febrero, 2021, 02:18 pm
Pero debería estar acotado, porque si no pudiera detenerme entonces existiría un x que pertenece a una cantidad infinita de ellos, no?
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Carlos Ivorra en 26 Febrero, 2021, 10:51 pm
Para ese problema, encontré otra prueba, pero quiero saber si la mía en particular, está bien.

Soy consciente de que no preguntas por una prueba, sino por tu prueba, pero me había "picado" el resultado, porque veía que tenía que ser cierto pero no se me ocurría una demostración. Al final he encontrado una. Aunque no es el objetivo del hilo, la dejo aquí por si a alguien le interesa.

Spoiler
Sea \( X \) un espacio con una medida finita y sea \( \{A_n\}_{n=0}^\infty \) una familia de subconjuntos medibles de \( X \) tales que \( \mu(A_n)\geq \epsilon \), para un cierto \( \epsilon>0 \). Vamos a probar que existe un punto que pertenece a infinitos de estos conjuntos.

Supongamos lo contrario y sea \( f=\sum\limits_{n=0}^\infty\chi_{A_n} \) la suma puntual de las funciones características, que es una función medible \( f:X\longrightarrow \mathbb N \), de modo que \( f(x) \) es el número de conjuntos \( A_n \) a los que pertenece \( x \).

Esto hace que los conjuntos \( E_n=\{x\in X\mid f(x)=n\} \) sean medibles, y son una partición de \( X \). Por lo tanto, \( \sum\limits_{n=0}^\infty E_n=\mu(X)<+\infty \).

Podemos tomar un natural \( N \) tal que \( \sum\limits_{n=N+1}^\infty \mu(E_n)<\epsilon/2 \). Sea \( A=\bigcup\limits_{n=N+1}^\infty E_n \), de modo que \( \mu(A)<\epsilon/2 \). Notemos que \( A \) es el conjunto de los puntos de \( X \) que pertenecen a más de \( N \) conjuntos \( A_n \).

Los conjuntos \( B_n=A_n\setminus A \) cumplen que \( \mu(B_n)\geq \epsilon/2 \) y cada punto de un \( B_n \) pertenece a lo sumo a \( N \) conjuntos \( A_n \), luego también a lo sumo a \( N \) conjuntos \( B_n \).

Llamamos \( g=\sum\limits_{n=0}^\infty \chi_{B_n} \). Como antes, es una función medible, pero ahora \( 0\leq g\leq N \), luego

\( \displaystyle N\mu(X)\geq \int_Xg\,d\mu=\sum_{n=0}^\infty \int_X\chi_{B_n}\,d\mu=\sum_{n=0}^\infty\mu(B_n)\geq \sum_{n=0}^\infty\epsilon/2=\infty \)

y tenemos una contradicción.
[cerrar]
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 27 Febrero, 2021, 12:23 am
Gracias Carlos. Me gustaría entender tu prueba, pero hemos construido hasta ahora la medida de Lebesgue.
No hemos definido funciones medibles aún.
Sigo pensando en que, cómo dices Luis cada x debe estar en una cantidad finita de ellos, pero según yo, no la puedo hacer tan grande como yo quiera. Al final, me decante por la prueba que había encontrado antes, que si alguien lo desea la puedo postear aquí.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Carlos Ivorra en 27 Febrero, 2021, 12:46 am
Gracias Carlos. Me gustaría entender tu prueba, pero hemos construido hasta ahora la medida de Lebesgue.
No hemos definido funciones medibles aún.

Bueno, no cuesta mucho evitar las funciones medibles. Dada la sucesión \( \{A_n\} \), define

\( \displaystyle E_n=\bigcup_{k_1<\cdots < k_n}(A_{k_1}\cap \cdots \cap A_{k_n})\setminus\bigcup\limits_{k_1<\cdots < k_{n+1}}(A_{k_1}\cap \cdots \cap A_{k_{n+1}})  \),

entendiendo que \( E_0=X\setminus \bigcup\limits_n A_n \).

Así \( E_n \) es el conjunto de puntos que están exactamente en \( n \) conjuntos de la sucesión (están en la intersección de \( n \) de ellos, pero no en la intersección de \( n+1 \) de ellos). Definido así se ve inmediatamente que los conjuntos \( E_n \) son medibles, porque las intersecciones finitas, las uniones numerables y las diferencias de conjuntos medibles son medibles.

A partir de ahí el razonamiento es elemental (quiero decir que no usa funciones medibles ni nada más que las propiedades básicas de las medidas): los \( E_n \) forman una partición de \( X \) y puedes definir los conjuntos \( B_n \) que siguen cumpliendo \( \mu(B_n)\geq \epsilon/2 \) (es decir, lo mismo que los \( A_n \), pero con \( \epsilon/2 \) en vez de \( \epsilon \)) y éstos sí que cumplen la propiedad que tú querías: que cada punto de \( X \) pertenece a lo sumo a \( N \) conjuntos \( B_n \), con lo que ya puedes concluir usando tu resultado (*).

Modificando ligeramente el argumento se demuestra, de hecho, que el conjunto de puntos que pertenecen a infinitos conjuntos \( A_n \), no sólo no es vacío, sino que tiene medida \( \geq \epsilon \).

Sigo pensando en que, cómo dices Luis cada x debe estar en una cantidad finita de ellos, pero según yo, no la puedo hacer tan grande como yo quiera.

No entiendo bien lo que quieres decir. Que cada \( x \) esté en una cantidad finita de conjuntos es la negación de lo que quieres demostrar, pero, como te advierte Luis, eso no implica que no pueda haber puntos que estén en un conjunto, y otros en dos conjuntos, y otros en tres conjuntos, etc., de forma que no haya un N (o un d) que acote el número de conjuntos a los que puede pertenecer un punto arbitrario.

Al final, me decante por la prueba que había encontrado antes, que si alguien lo desea la puedo postear aquí.

A mí no se me ha ocurrido otro argumento. Si el que conoces es distinto, puede ser interesante.
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: geómetracat en 27 Febrero, 2021, 01:05 pm
A mí no se me ha ocurrido otro argumento. Si el que conoces es distinto, puede ser interesante.

Si no se me escapa nada (que últimamente no ando muy fino con las demostraciones que pongo en el foro):
Spoiler
El conjunto de puntos que están en infinitos \( A_k \) es \[ \lim \sup A_k = \bigcap_{n=1}^\infty \bigcup_{k\geq n} A_k \]. Ahora, como la medida en la bola unidad es finita es una medida continua, y por tanto se tiene que \[ \mu(\bigcap_{n=1}^\infty \bigcup_{k\geq n} A_k) = \lim_n \mu(\bigcup_{k\geq n} A_k) \]. Por otro lado, \[ \mu(\bigcup_{k\geq n} A_k) \geq \mu(A_n)\geq \epsilon  \]. Juntando todo tenemos \[ \mu(\lim \sup A_k)\geq \epsilon>0 \].
[cerrar]
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: Carlos Ivorra en 27 Febrero, 2021, 01:11 pm
Si no se me escapa nada (que últimamente no ando muy fino con las demostraciones que pongo en el foro):

Yo lo veo bien. Así es mucho más corto.  :)
Título: Re: Secuencia de medibles contenidos en la bola unitaria.
Publicado por: zimbawe en 27 Febrero, 2021, 06:12 pm
Esa fué la primera que se me ocurrió. Pero me gustaba más la otra. Jajajaja.