sábado, 28 de enero de 2017

El Teorema de Egorov

Debido al matemático ruso Egorov, existe en Teoría de la Medida un importante teorema, el cual permite, en un espacio medida finito, que una sucesión de funciones (reales, reales ampliadas o complejas), medibles, definidas en dicho espacio y que converja puntualmente casi doquiera en él a una función, esta sucesión converja uniformemente a esa  función, en todo el espacio salvo en un subconjunto de medida arbitrariamente pequeña.

DEFINICIÓN.- Sea  X,A,μ un espacio medida. Sean f,f1,f2,...,fn,... funciones de X en ℝ,ℝ,ó ℂ. Se dice que la sucesión fnn∈ℕ converge a f casi por todas partes o casi por doquier en X, si la sucesión numérica fnxn∈ℕ converge para cada x∈X, a fx, salvo para los puntos de un A⊂X de medida nula. Se denota así:

límn fn=f, c.p.p. en X


TEOREMA (de Egorov).- Sea X,A,μ un espacio medida; μX<∞ y fnn∈ℕ una sucesión de funciones reales o complejas, medibles, que converge casi por todas partes en X a f, función real o compleja. Dado un ε>0, existe un B∈A tal que μB<ε y fnn∈ℕ converge uniformemente a f en X~B.

Demostración.- Sea A∈A, μA=0, y fnn∈ℕ una sucesión de funciones que converge puntualmente a la función f en X~A.

Sean g,gn (n∈ℕ) funciones definidas en X, que coinciden respectivamente, con f,fn (n∈ℕ), en X~A y son nulas en A. Entonces las funciones gn (n∈ℕ) son medibles y la sucesión de funciones gnn∈ℕ converge puntualmente en X a g; luego g es medible.

Por tanto, ∀n,m∈ℤ+ el conjunto

Anm=χgm-g-1]-∞,1n]


es medible.

Sea

Bnp=∩m=p∞Anm


∀n∈ℤ+, la sucesión Bnpp=1∞ es expansiva, pues si p1<p2:

Bnp1=∩m=p1∞Anm⊂∩m=p2∞Anm=Bnp2


Ahora, si z∈X, existe q∈ℤ+ tal que:

gmz-gz<1n,para m≥q


por lo que z∈Anm, para m=q,q+1,..., y de ahí:

z∈Bnq


En consecuencia

X⊂∪p=1∞Bnp


Luego ∪p=1∞Bnp=X.

Por ser Bnpp=1∞ expansiva, la sucesión X~Bnpp=1∞ es contractiva, y

∩p=1∞X~Bnp=∅


pues

∩p=1∞X~Bnp=X~∪p=1∞Bnp=X~X=∅


Como

μX~Bn1≤μX<∞


resulta que

límp  μX~Bnp=μ∅=0


Para cada n∈ℤ+, encontramos un pn∈ℤ+ tal que

μX~Bnpn<ε2n


Escribimos

M=∪n=1∞X~Bnpn, B=M∪A


Como

μB≤μM+μA=μM≤∑n=1∞μX~Bnpn<∑n=1∞ε2n=ε


Se cumple que μB<ε.

Además, fnn∈ℕ converge a f uniformemente en X~B. En efecto:
dado α∈ℝ+, hallamos r∈ℤ+ tal que 1r<α.
Sea z∈X~B. Entonces:

z∉∪n=1∞X~Bnpn=X~∩n=1∞Bnpn


luego z∈∩n=1∞Bnpn, y, en particular: z∈Brpr,
de donde se deduce que z∈Arm, para m≥pr y, por consiguiente

gmz-gz=fmz-fz<1r<α, ∀m≥pr,∀z∈X~B


En consecuencia fnn∈ℕ converge a f uniformemente en X~B.
Q.E.D.

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