Antes de preguntar cuánto mide algo, decidimos qué conjuntos podemos distinguir. En una caja podemos ver cada ficha o solo saber de qué grupo procede. Una sigma-álgebra organiza esas preguntas de pertenencia. Empezaremos con seis puntos y sus bloques; después pasaremos a operaciones numerables y conjuntos reales.
Si necesitas repasar:
1. Tres niveles diferentes: punto, conjunto y familia de conjuntos
X es el universo de puntos.
Una familia Σ reúne subconjuntos: sus elementos son conjuntos, no puntos. Escribimos x∈A para un punto y A∈Σ para un conjunto admitido. P(X), el conjunto potencia, reúne todos los subconjuntos posibles.
Un espacio medible es el par (X,Σ), con Σ una sigma-álgebra. Todavía no hay longitudes ni probabilidades: medible significa que el conjunto pertenece a la familia elegida. La medida se añadirá como un tercer dato.
Leer cada símbolo sin cambiar de nivel
X={a,b,c}, A={a,c} y F={∅,A,{b},X}.
Punto
a∈A porque la letra a aparece entre sus elementos.
Conjunto
A∈F porque F incluye el conjunto {a,c} como un elemento.Familia
F⊆P(X) porque todos sus elementos son subconjuntos de X.
a, A y F cumplen papeles diferentes.
a∈F sería falso aquí: F contiene conjuntos, no la letra a aislada.
Medible no asigna todavía tamaño
X={roja,azul}; Σ=P(X).
Preguntas permitidas
Podemos distinguir cada singleton, el vacío y el universo.
Primera medida posible
Contar puntos da medida uno a cada singleton.
Otra medida posible
Pesos 1/4 y 3/4 dan una probabilidad distinta sobre la misma familia.
El espacio medible puede admitir muchas medidas.
No deducimos equiprobabilidad de que los puntos puedan distinguirse.
2. Los axiomas permiten complementar y unir listas numerables
Una sigma-álgebra sobre X contiene X; con cada A contiene su complemento X∖A; y con cada lista A₁,A₂,… contiene la unión de toda la lista. Como ∅ es complemento de X, también contiene el vacío. Las uniones finitas son un caso particular, completando la lista con vacíos.
También contiene intersecciones numerables por De Morgan: intersectar Aₙ equivale a complementar la unión de sus complementos.
Todos los complementos se toman en el mismo universo.
Completar una familia pequeña
X={a,b,c,d}, A={a,b}.
Obligatorios
Incluimos ∅, X y A.
Complemento
Aᶜ={c,d} también debe entrar.Comprobar
En F={∅,A,Aᶜ,X}, cualquier unión es vacío, un bloque o X; los complementos permanecen en F.
F es una sigma-álgebra.
Repetir estos cuatro conjuntos en una lista infinita no crea un quinto resultado.
Construir una diferencia solo con axiomas
A y B pertenecen a Σ.
Complementar
Bᶜ∈Σ.Intersectar
A∩Bᶜ pertenece a Σ por De Morgan.
Identificar
Son exactamente los puntos de A que no están en B.
A∖B∈Σ.
La diferencia no significa quitar a la familia Σ uno de sus miembros; es una operación sobre dos subconjuntos de X.
3. Numerable no quiere decir cualquier cantidad de conjuntos
Numerable permite una lista finita o una lista indexada por los naturales. La definición no exige cierre bajo todas las uniones arbitrarias. En particular, escribir un conjunto como unión de todos sus puntos no lo convierte automáticamente en medible cuando esa lista no es numerable.
Una álgebra de conjuntos exige solo uniones finitas y complementos. Una sigma-álgebra añade las uniones numerables. Esta diferencia importa: algo puede funcionar para cada operación finita y fallar al reunir una lista infinita.
Una álgebra que no es sigma-álgebra
En ℕ, toma F formada por conjuntos finitos y sus complementos.
Operaciones finitas
Complementar intercambia finito y cofinito. Una unión finita sigue siendo finita o cofinita.
Lista permitida
Cada singleton {2k}, k≥1, pertenece a F.Unión problemática
El conjunto de pares positivos es infinito y su complemento también; no pertenece a F.
F es álgebra, pero no sigma-álgebra.
El fallo aparece en una unión numerable concreta de miembros de F.
Una sigma-álgebra que tampoco admite toda unión arbitraria
En ℝ, toma los conjuntos numerables y sus complementos.
Complementos
La familia es cerrada al complementar.
Uniones numerables
Si todos son numerables, la unión es numerable. Si alguno es conumerable, el complemento de la unión es parte de un conjunto numerable.
Unión no numerable
Todos los singletons de [0,1] son miembros, pero su unión [0,1] no es numerable ni tiene complemento numerable.
La familia es una sigma-álgebra y no contiene esa unión arbitraria.
No se deduce que [0,1] sea no medible para Lebesgue: estamos usando otra familia sobre el mismo universo.
4. Desde no distinguir nada hasta distinguirlo todo
La sigma-álgebra trivial {∅,X} solo admite las preguntas nada y todo. P(X) es la mayor posible. Entre ambas hay familias que distinguen grupos enteros sin separar sus miembros.
En un universo finito o numerable, si todos los singletons pertenecen a Σ, cualquier subconjunto es una unión numerable de ellos y pertenece a Σ. En un universo no numerable ese argumento ya no obliga a incluir todos los subconjuntos.
Dos puntos inseparables
X={a,b}, Σ={∅,X}.
Pregunta disponible
Podemos preguntar si el resultado pertenece a X: siempre sí.
Pregunta ausente
No podemos representar dentro de Σ el evento es a.
Comparar
P(X) sí contiene {a} y {b}.
La estructura elegida controla qué información distinguimos.
No afirma que a y b sean el mismo punto; afirma que esta familia no los separa.
En ℕ sí basta conocer cada punto
Supón {n}∈Σ para todo n∈ℕ.
Tomar una parte
Sea A⊆ℕ cualquiera.Descomponer
A es la unión de los singletons de los números que contiene; esa familia es como máximo numerable.
Cerrar
La unión pertenece a Σ.
Σ=P(ℕ).
La numerabilidad del universo justifica el paso que no podríamos usar sin más en ℝ.
5. La familia generada añade exactamente lo que obligan los axiomas
Dada una familia inicial G, σ(G) es la menor sigma-álgebra que la contiene. Se define como la intersección de todas las candidatas. Siempre hay alguna: P(X). Intersectarlas conserva los tres axiomas y elimina los conjuntos que no son obligatorios.
Para calcularla en un caso finito probamos dos cosas: nuestra familia propuesta es una sigma-álgebra que contiene G; y todo miembro de la propuesta tiene que estar en cualquier candidata. Solo encontrar una familia grande que contenga G no prueba minimalidad.
Un generador separa dos bloques
X={a,b,c,d,e}, A={a,d}.
Añadir complemento
Aᶜ={b,c,e}.Propuesta
F={∅,{a,d},{b,c,e},X} está cerrada bajo las operaciones.Minimalidad
Los cuatro miembros son obligatorios para cualquier sigma-álgebra que contenga A.
σ({A})=F.
No necesitamos añadir {a} porque ninguna operación con A y su complemento la separa de d.
Dos generadores se refinan mutuamente
X={a,b,c,d,e,f}, A={a,b,c}, B={c,d}.
Refinar
Los patrones dentro/fuera de A y B dan {a,b}, {c}, {d}, {e,f}.
Unir bloques
Todas las uniones de esos cuatro bloques forman una sigma-álgebra que contiene A y B.
Forzados
Cada bloque es una intersección de A o Aᶜ con B o Bᶜ, así que es obligatorio.
Hay 2⁴=16 conjuntos en σ({A,B}).
Se cuentan cuatro bloques no vacíos, no dos generadores ni seis puntos.
6. Los átomos son las piezas que esta información ya no puede dividir
En un universo finito, agrupamos dos puntos cuando ningún conjunto de Σ los distingue. Cada bloque resultante es medible: puede construirse intersectando los miembros de Σ que contienen a un punto. Como la familia es finita, esa intersección usa solo finitas operaciones.
Estos bloques no vacíos son los átomos: no tienen un subconjunto medible propio no vacío. Todo conjunto medible es una unión de átomos. Con k átomos hay 2ᵏ uniones, porque cada bloque se incluye o se excluye.
Leer los bloques del dibujo
X={a,b,c,d,e,f} con bloques B₁={a,b}, B₂={c,d}, B₃={e,f}.
Elegir bloques
Podemos elegir ninguno, uno, dos o los tres.
Contar
Hay 1+3+3+1=8 uniones.Ejemplo
B₁∪B₃={a,b,e,f} es medible; {a,e} no es unión de bloques completos.
La familia tiene ocho conjuntos.
Incluir a sin b exigiría más información que la que contiene esta sigma-álgebra.
La generación puede recuperar todos los puntos
X={a,b,c}, A={a,b}, B={b,c}.
Intersección
A∩B={b}.Diferencias
A∖B={a} y B∖A={c}.Uniones
Disponemos de los tres singletons, por tanto de todas sus uniones.
σ({A,B})=P(X), con ocho conjuntos.
Dos generadores pueden producir tres átomos y ocho conjuntos; no hay una regla de contar solo los generadores.
7. Borel: generar conjuntos medibles a partir de los abiertos
La sigma-álgebra de Borel B(ℝ) es σ de los abiertos usuales. Contiene abiertos, sus complementos cerrados, intervalos y combinaciones numerables. No se identifica con el conjunto de todos los subconjuntos de ℝ.
Basta generar con intervalos abiertos de extremos racionales: son una familia numerable y todo abierto es unión de los de esa base que contiene. La numerabilidad permite pasar de una unión topológica a una unión admitida por una sigma-álgebra.
Construir un singleton y los racionales
Comprueba que {c} y ℚ son borelianos.
Punto
{c} es cerrado, como complemento de un abierto.
Lista
ℚ puede enumerarse q₁,q₂, ….
Unir
ℚ=∪ₙ{qₙ} es una unión numerable de borelianos.
Todo conjunto numerable de reales es boreliano.
No usamos esa misma prueba para un conjunto de puntos no numerable.
Topología y sigma-álgebra cumplen reglas diferentes
Compara intervalos (−1/n,1/n), n≥1.
En Borel
Todos son medibles y su intersección numerable también.
Intersección
Un punto no nulo queda fuera cuando 1/n≤|x|; solo permanece cero.
Abiertos
{0} no es abierto en ℝ, así que los abiertos solos no forman una sigma-álgebra.
Borel contiene más conjuntos que los abiertos iniciales.
Una topología permite uniones arbitrarias, pero solo exige intersecciones finitas de abiertos.
8. Una función medible se comprueba mirando preimágenes
Para f:(X,Σ)→(Y,T), medible significa que para cada conjunto permitido B en Y, su preimagen f⁻¹(B)={x:f(x)∈B} pertenece a Σ. No hace falta que f tenga una función inversa; estamos buscando todos los puntos cuya salida cae en B.
Las preimágenes conservan complementos y uniones. Por eso basta comprobar un conjunto de generadores de T: los conjuntos cuya preimagen es medible forman una sigma-álgebra. No sustituimos preimagen por imagen directa en la definición.
Una salida no puede separar un bloque oculto
Usa el dibujo de tres bloques y define f=0 en B₁, f=2 en B₂, f=5 en B₃.
Preimagen
La preimagen de cualquier boreliano de ℝ es una unión de aquellos bloques cuyos valores contiene.
Familia
Toda unión de bloques pertenece a Σ.
Conclusión
f es medible.
Una función constante en cada átomo es medible en este espacio finito.
Si asignáramos a y b valores diferentes, un intervalo separaría esos valores y su preimagen rompería el átomo.
Calcular una preimagen sin despejar una inversa única
f(x)=x² en ℝ; busca f⁻¹((1,4]).
Condición
1<x²≤4 equivale a 1<|x|≤2.Separar signos
Se obtiene [−2,−1)∪(1,2].
Medibilidad
Es una unión finita de intervalos borelianos; en general x² es continua y por tanto boreliana.
La preimagen es [−2,−1)∪(1,2].
Que x² no sea inyectiva no impide tomar preimágenes ni que sea medible.
9. Restringir y formar productos: mantener claro cuál es el universo
Es una sigma-álgebra sobre Y, aunque Y no pertenezca a Σ.
En dos espacios medibles, Σ⊗T es la sigma-álgebra generada por rectángulos A×B con A∈Σ y B∈T. Esta construcción decide conjuntos permitidos del producto; todavía no asigna una medida producto ni afirma que todo subconjunto sea medible.
Una traza puede reducir un bloque
X={a,b,c,d}, Σ={∅,{a,b},{c,d},X}, Y={b,c}.
Intersecar
Las cuatro intersecciones con Y son ∅,{b},{c},Y.
Nuevo universo
Ahora {b} tiene complemento {c}, no {a,c,d}.
Resultado
La traza es P(Y).
Σ|Y distingue ambos puntos del nuevo universo.
{b} puede pertenecer a la traza sin pertenecer a la sigma-álgebra original sobre X.
Construir un producto finito
X={a,b}, Y={0,1}, con todos sus subconjuntos medibles.
Rectángulos mínimos
Cada {(x,y)}={x}×{y} es un rectángulo medible.Unir
Todo subconjunto de X×Y es unión finita de esos cuatro singletons.
Contar
Σ⊗T=P(X×Y) tiene 2⁴=16 miembros.
El producto medible tiene cuatro puntos y dieciséis subconjuntos.
Cuánto mide cada uno dependerá de las medidas que añadamos después.
Ahora lo resolvemos de principio a fin.
EJEMPLO RESUELTO 1
Generada por un conjunto
X={1,2,3}, A={1}. Halla σ(A).
Universo
X={1,2,3}; el generador es el conjunto A={1}.Obligatorios
Incluimos X, ∅ y A.
Complementar
Aᶜ={2,3} también es obligatorio.Proponer
F={∅,{1},{2,3},X} es cerrada bajo complementos.Uniones numerables
Una unión de miembros de F solo puede ser vacío, uno de los bloques o todo X.
Minimalidad
F es sigma-álgebra y todos sus miembros son obligatorios, por tanto es exactamente σ(A).
{∅,{1},{2,3},X}.
Los átomos {1} y {2,3} tienen cuatro uniones, 2²=4. Los puntos dos y tres no pueden separarse con esta familia.
EJEMPLO RESUELTO 2
Intersecciones
Demuestra cierre por intersecciones numerables.
Hipótesis
A₁,A₂,… pertenecen a Σ sobre el mismo universo X.
Complementos
Cada Aₙᶜ pertenece a Σ.
Unión numerable
U=∪ₙAₙᶜ pertenece a Σ.Complementar de nuevo
Uᶜ pertenece a Σ.
Leer pertenencia
x∈Uᶜ significa que x no pertenece a ningún Aₙᶜ, es decir, que pertenece a todos los Aₙ.
Concluir
Uᶜ=∩ₙAₙ por De Morgan; por tanto la intersección es medible.
La intersección es medible.
La igualdad utilizada es De Morgan; todos los complementos se toman respecto del mismo X.
Los símbolos que hemos usado
- X
- Universo cuyos subconjuntos se estudian.
- Σ
- Sigma-álgebra: familia de subconjuntos medibles de X.
- Aᶜ
- Complemento X∖A respecto del universo fijado.
- σ(G)
- Menor sigma-álgebra que contiene una familia G.
- B(R)
- Sigma-álgebra de Borel real, generada por los abiertos.
- Átomo finito
- Bloque medible no vacío mínimo que otros conjuntos medibles no pueden separar.
- (X,Σ)
- Espacio medible; todavía no incluye una medida.
Ahora te toca a ti.
Tienes cinco ejercicios. Inténtalos; las pistas te ayudan si te atascas.
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