Conjuntos de medida cero y contenido cero

Por Ruben Hurtado

Si f:AR2R. Denotamos por DfA al conjunto de discontinuidades de f en A, es decir
DfA={xA | f es discontinua en x}

Proposición: Sea f:AR2R integrable sobre R. Entonces DfR tiene interior vacio int DfR=
Demostración: Si int DfR entonces existe R tal que Rint(DfR)DfRR
como f es integrable sobre R y RR entonces f es integrable sobre R de modo que existe x0int(R) tal que f es continua en x0 lo cual contradice el hecho de que f es discontinua en todo xDfR.  ◼

Medida Cero y Contenido Cero
Definición: Un subconjunto ARn tiene medida cero si para cada ϵ>0 existe un recubrimiento U1,U2, de A por rectángulos tales que
Ai=1Ui  y  i=1v(Ui)<ϵ
Por ejemplo un conjunto formado por un número finito de puntos claramente tiene medida cero

Si A tiene infinitos puntos que pueden ordenarse formando una sucesión a1,a2, entonces A tiene medida cero, pues para cada ϵ>0 se puede elegir Ui que sea rectángulo cerrado que contenga ai con v(Ui)<ϵ2i.
Entoncesi=1v(Ui)<i=1ϵ2i=ϵi=112i=ϵ(12+122+123+)=ϵ2(1+12+)=
ϵ2(1112)=ϵ2(2)=ϵ

Ejemplo: Q es de medida cero.
Demostración: Como Q es numerable podemos formar {rk}1 y dado ϵ>0, sea Ik=(rkϵ2k+2,rk+ϵ2k+2)Por lo que Qk=1Ikyv(Ik)=ϵ2k+1y para la suma de los volumenes se tiene
k=1ϵ2k+1=ϵ4(1+12+)=ϵ2<ϵ
Q tiene medida cero.  ◼

Ejemplo: El conjunto de Cantor
Demostración: Tenemos que
(1)C0=[0,1](2)C1=[0,13][23,1](3)C2=[0,19][29,13][23,79]    Cn=[0,13n][113n,1]
Tenemos que C=k=0Ck (Conjunto de Cantor).
Cada Ck es la unión de 2k intervalos de longitud 13k si los llamamos I1,I2,,I2k entonces
CCk=i=12kIiyi=12kvol(Ii)=(23)k
por lo que dado ϵ>0 podemos tomar k tal que (23)k<ϵ. Entonces C es de medida cero.◼

Ejemplo: En R2 consideramos la recta y=y0
Demostración:LasemirectaderechaA={(x,y_{0})| x\in \mathbb{R}}lacubrimosconRk=[k,k+1]×[y0ϵ2k+3,y0+ϵ2k+3]conk\in \mathbb{N}\cup {0}yv(Rk)=1(ϵ2k+2)k=1ϵ2k+2=ϵ2<ϵMientrasqueparalasemirectaizquierdaconsideramosRk=[k1,k]×[y0ϵ2k+3,y0+ϵ2k+3]\thereforev(Rk)=1(ϵ2k+2)k=1ϵ2k+2=ϵ2<ϵ\thereforelarectaenterasepuedecubrirconunauniónnumerablederectánguloscuyasumaesmenora\epsilon.\blacksquare$

Ejemplo: Los intervalos cerrados [a,b]R con a<b no tienen medida cero.
Demostración: Supongamos que [a,b]n=1Un con Un abierto, como [a,b] es compacto existe una subcubierta finita Un con k=1v(Uk)<ϵperok=1v(Uk)ba lo cual nos dice que la suma de volumenes no se puede hacer tan pequeña como se desee, por lo que el conjunto dado no es de medida cero.◼

Teorema: Si A=A1A2 y cada Ai
tiene medida cero, entonces A tiene medida cero.
Demostración: Sea ϵ>0. Puesto que cada Ai tiene medida cero
un recubrimiento Ui1,Ui2, de Ai por
rectángulos cerrados tales que la colección de todos los Uij
cubren a A y formamos la sucesión numerable U11,U1,2,

j=1v(Uij)<i=1ϵ2i<ϵ ◼

Definición: Un subconjunto A de Rn tiene contenido cero si para cada ϵ>0 existe un recubrimiento finito U1,U2,,Un de A por rectángulos tales que i=1nv(Ui)<ϵ

Teorema: Si A es compacto y tiene medida cero, entonces A
tiene contenido cero.
Demostración: Sea ϵ>0. Puesto que A tiene medida cero, un recubrimiento U1,U2, de A por rectángulos tales que i=1v(Ui)<ϵ. Dado que A es compacto, un
número finito de U1,U2,,Un recubren a A y ademas
i=1nv(Ui)<ϵ  ◼

Teorema: Sea ϕ:[a,b]R una función continua. Entonces la gráfica de ϕ tiene contenido cero.
Demostración: Siendo ϕ continua en el compacto [a,b], es
uniformemente continua en dicho intervalo. Es decir dado ϵ>0δ>0 tal que para x,y[a,b] si
|xy|<δ|f(x)f(y)|<ϵba.
Sea nN tal que ban<δ y consideremos
la partición de [a,b] en n partes iguales
a=x0<x1<<xn=b con xi=a+iban se tiene
entonces que para
x,y[xi1,xi]|f(x)f(y)|<ϵba

i=1n(xixi1)ϵba=ϵbai=1n(xixi1)=ϵba(ba)=ϵ  ◼

Teorema: Sea R un rectángulo cerrado y f:RR una función acotada. Sea B={xR|fnoescontinuaenx} entonces si B es un
conjunto de contenido cero f es integrable.
Demostración: Vamos a dividir los subrectángulos Rij en
I)RijB y II)RijB=
de manera que para los rectángulos I se tiene que B es de contenido cero
i=1mj=1nv(Rij)<ϵ Mientras que para
los rectángulos II se tiene que f es continua y por tanto
i=1mj=1nMijmijA(Rij)<i=1mj=1nϵ2A(R)A(Rij)
Dada la partición P de R se tiene que
S(f,P)S(f,P)=i=1mj=1nMijmijA(Rij)+i=1mj=1nv(Rij)<i=1mj=1nϵ2A(R)A(Rij)+ϵ2
=ϵ2A(R)A(Rij)i=1mj=1nA(Rij)+ϵ2=ϵ2A(R)A(R)+ϵ2=ϵ2+ϵ2=ϵ ◼

Teorema: Sea f una función definida en un rectángulo R. Si el conjunto S de puntos donde f es discontinua tiene contenido cero, entonces f es integrable sobre R.

Demostración: Sea ϵ>0 dado y sea R1,R2,,Rk el conjunto de rectángulos que cubren a S

tal que
i=1kA(Ri)<ϵ
si se colocan sobre cada Rj un rectángulo Rj con el mismo centro pero del doble de dimensiones

se tiene que
$$\sum_{i=1}^{k}A(\textcolor{Green}{R’{i}})=\sum{i=1}^{k}4A(\textcolor{Red}{R_{i}})<4\epsilon$$
Además, entre los rectángulos Rj habrá un lado más corto. Denotemos su longitud por 2r

si tomo el conjunto R el resto de R después que se han eliminado los interiores de los Rj.

Se tiene que sobre R f es continua y por tanto uniformemente continua por lo tanto
|f(p)f(q)|<ϵ si |pq|<δpara cualesquiera p,q en R\Sea P una partición de R tal que |P|<δ<r

Vamos a estimar
S(f,P)S(f,P)
Para esto dividimos los rectángulos de la partición P en dos conjuntos
RjRj    RjRj=
se tiene entonces que
S(f,P)S(f,P)=i=1nj=1m(Mijmij)A(Rij)=
((Mijmij)A(Rij))RjRj+((Mijmij)A(Rij))RjRj=<4Mϵ+ϵA=ϵ(4M+A)
donde M=supf(x) sobre R. ◼

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