2B

Измеримые пространства и функции

[30/0%]
Показать
LaTeX
Задача 2B.1

Покажите, что S={nK(n,n+1]:KZ}\mathcal{S} = \left\{ \bigcup_{n \in K}(n, n+1]: K \subseteq \mathbb {Z}\right\}σ\sigma-алгебра на R\mathbb {R}.

?
Задача 2B.2

Проверьте оба пункта в примере 2.28.

?
Примечание.
?

Пример 2.28 (наименьшая σ\sigma-алгебра):

  • Пусть XX — множество, а A\mathcal{A} — множество подмножеств XX, состоящих ровно из одного элемента: A={{x}:xX}\mathcal{A} = \left\{ \left\{ x\right\} : x \in X\right\}. Тогда наименьшая σ\sigma-алгебра на XX, содержащая A\mathcal{A}, — это множество всех подмножеств EE множества XX таких, что EE счётно или X\EX \backslash E счётно, в чём следует убедиться самостоятельно.

  • Пусть A={(0,1),(0,)}\mathcal{A} = \left\{ (0,1),(0, \infty )\right\}. Тогда наименьшая σ\sigma-алгебра на R\mathbb {R}, содержащая A\mathcal{A}, — это {,(0,1),(0,),(,0][1,),(,0],[1,),(,1),R}\left\{ \varnothing ,(0,1),(0, \infty ),(-\infty , 0] \cup [1, \infty ),(-\infty , 0],[1, \infty ),(-\infty , 1), \mathbb {R}\right\}, в чём следует убедиться самостоятельно.

Задача 2B.3

Пусть S\mathcal{S} — наименьшая σ\sigma-алгебра на R\mathbb {R}, содержащая {(r,s]:r,sQ}\left\{ (r, s]: r, s \in \mathbb {Q}\right\}. Докажите, что S\mathcal{S} — совокупность борелевских подмножеств R\mathbb {R}.

?
Задача 2B.4

Пусть S\mathcal{S} — наименьшая σ\sigma-алгебра на R\mathbb {R}, содержащая {(r,n]:rQ,nZ}\left\{ (r, n]: r \in \mathbb {Q}, n \in \mathbb {Z}\right\}. Докажите, что S\mathcal{S} — совокупность борелевских подмножеств R\mathbb {R}.

?
Задача 2B.5

Пусть S\mathcal{S} — наименьшая σ\sigma-алгебра на R\mathbb {R}, содержащая {(r,r+1):rQ}\left\{ (r, r+1): r \in \mathbb {Q}\right\}. Докажите, что S\mathcal{S} — совокупность борелевских подмножеств R\mathbb {R}.

?
Задача 2B.6

Пусть S\mathcal{S} — наименьшая σ\sigma-алгебра на R\mathbb {R}, содержащая {[r,):rQ}\left\{ [r, \infty ): r \in \mathbb {Q}\right\}. Докажите, что S\mathcal{S} — совокупность борелевских подмножеств R\mathbb {R}.

?
Задача 2B.7

Докажите, что совокупность борелевских подмножеств R\mathbb {R} инвариантна относительно сдвигов. Точнее, докажите, что если BRB \subseteq \mathbb {R} — борелевское множество и tRt \in \mathbb {R}, то t+Bt+B — борелевское множество.

?
Задача 2B.8

Докажите, что совокупность борелевских подмножеств R\mathbb {R} инвариантна относительно растяжений. Точнее, докажите, что если BRB \subseteq \mathbb {R} — борелевское множество и tRt \in \mathbb {R}, то tBt B (которое по определению равно {tb:bB}\left\{ t b: b \in B\right\}) — борелевское множество.

?
Задача 2B.9

Приведите пример измеримого пространства (X,S)(X, \mathcal{S}) и функции f:XRf: X \rightarrow \mathbb {R} такой, что f\left|f\right| является S\mathcal{S}-измеримой, но ff не является S\mathcal{S}-измеримой.

?
Задача 2B.10

Покажите, что множество вещественных чисел, в десятичном разложении которых цифра 5 встречается бесконечно часто, является борелевским множеством.

?
Задача 2B.11

Пусть T\mathcal{T}σ\sigma-алгебра на множестве YY и XTX \in \mathcal{T}. Обозначим S={ET:EX}\mathcal{S} = \left\{ E \in \mathcal{T}: E \subseteq X\right\}.

?
(a)

Покажите, что S={FX:FT}\mathcal{S} = \left\{ F \cap X: F \in \mathcal{T}\right\}.

(b)

Покажите, что S\mathcal{S}σ\sigma-алгебра на XX.

Задача 2B.12

Пусть f:RRf: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} — функция.

?
(a)

Для kNk \in \mathbb {N} обозначим

Gk={aR: существует δ>0 такое, что f(b)f(c)<1k для всех b,c(aδ,a+δ)} G_{k} = \left\{ a \in \mathbb {R}: \text{ существует } \delta > 0 \text{ такое, что }\left|f(b)-f(c)\right| < \frac{1}{k} \text{ для всех } b, c \in (a-\delta , a+\delta )\right\}

Докажите, что GkG_{k} — открытое подмножество R\mathbb {R} для каждого kNk \in \mathbb {N}.

(b)

Докажите, что множество точек, в которых ff непрерывна, равно k=1Gk\bigcap_{k = 1}^{\infty } G_{k}.

(c)

Выведите отсюда, что множество точек, в которых ff непрерывна, является борелевским множеством.

Задача 2B.13

Пусть (X,S)(X, \mathcal{S}) — измеримое пространство, E1,,EnE_{1}, \ldots , E_{n} — попарно непересекающиеся подмножества XX, а c1,,cnc_{1}, \ldots , c_{n} — попарно различные ненулевые вещественные числа. Докажите, что c1χE1++cnχEnc_{1} \chi_{E_{1}}+\cdots +c_{n} \chi_{E_{n}} является S\mathcal{S}-измеримой функцией тогда и только тогда, когда E1,,EnSE_{1}, \ldots , E_{n} \in \mathcal{S}.

?
Задача 2B.14
?
(a)

Пусть f1,f2,f_{1}, f_{2}, \ldots — последовательность функций из множества XX в R\mathbb {R}. Объясните, почему

{xX: последовательность f1(x),f2(x), имеет предел в R}=n=1j=1k=j(fjfk)1((1n,1n)) \begin{aligned} & \left\{ x \in X: \text{ последовательность } f_{1}(x), f_{2}(x), \ldots \text{ имеет предел в } \mathbb {R}\right\} \\ & = \bigcap _{n = 1}^{\infty } \bigcup _{j = 1}^{\infty } \bigcap _{k = j}^{\infty }\left(f_{j}-f_{k}\right)^{-1}\left(\left(-\frac{1}{n}, \frac{1}{n}\right)\right) \end{aligned}
(b)

Пусть (X,S)(X, \mathcal{S}) — измеримое пространство и f1,f2,f_{1}, f_{2}, \ldots — последовательность S\mathcal{S}-измеримых функций из XX в R\mathbb {R}. Докажите, что

{xX: последовательность f1(x),f2(x), имеет предел в R} \left\{ x \in X: \text{ последовательность } f_{1}(x), f_{2}(x), \ldots \text{ имеет предел в } \mathbb {R}\right\}

является S\mathcal{S}-измеримым подмножеством XX.

Задача 2B.15

Пусть XX — множество и E1,E2,E_{1}, E_{2}, \ldots — последовательность попарно непересекающихся подмножеств XX такая, что k=1Ek=X\bigcup_{k = 1}^{\infty } E_{k} = X. Обозначим S={kKEk:KN}\mathcal{S} = \left\{ \bigcup_{k \in K} E_{k}: K \subseteq \mathbb {N}\right\}.

?
(a)

Покажите, что S\mathcal{S}σ\sigma-алгебра на XX.

(b)

Докажите, что функция из XX в R\mathbb {R} является S\mathcal{S}-измеримой тогда и только тогда, когда она постоянна на EkE_{k} для каждого kNk \in \mathbb {N}.

Задача 2B.16

Пусть S\mathcal{S}σ\sigma-алгебра на множестве XX и AXA \subseteq X. Обозначим

SA={ES:AE или AE=}. \mathcal{S}_{A} = \left\{ E \in \mathcal{S}: A \subseteq E \text{ или } A \cap E = \varnothing \right\} .
?
(a)

Докажите, что SA\mathcal{S}_{A}σ\sigma-алгебра на XX.

(b)

Пусть f:XRf: X \rightarrow \mathbb {R} — функция. Докажите, что ff измерима относительно SA\mathcal{S}_{A} тогда и только тогда, когда ff измерима относительно S\mathcal{S} и ff постоянна на AA.

Задача 2B.17

Пусть XX — борелевское подмножество R\mathbb {R}, а f:XRf: X \rightarrow \mathbb {R} — функция, такая что {xX:f не является непрерывной в точке x}\left\{ x \in X: f\text{ не является непрерывной в точке }x\right\} является счётным множеством. Докажите, что ff — борелевски измеримая функция.

?
Задача 2B.18

Пусть f:RRf: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} дифференцируема в каждой точке R\mathbb {R}. Докажите, что ff^{\prime } — борелевски измеримая функция из R\mathbb {R} в R\mathbb {R}.

?
Задача 2B.19

Пусть XX — непустое множество и S\mathcal{S}σ\sigma-алгебра на XX, состоящая из всех подмножеств XX, которые либо счётны, либо имеют счётное дополнение в XX. Дайте характеризацию S\mathcal{S}-измеримых вещественнозначных функций на XX.

?
Задача 2B.20

Пусть (X,S)(X, \mathcal{S}) — измеримое пространство и f,g:XRf, g: X \rightarrow \mathbb {R}S\mathcal{S}-измеримые функции. Докажите, что если f(x)>0f(x) > 0 для всех xXx \in X, то fgf^{g} (функция, значение которой в точке xXx \in X равно f(x)g(x)f(x)^{g(x)}) является S\mathcal{S}-измеримой функцией.

?
Задача 2B.21

Докажите 2.52.

?
Примечание.
?

2.52 (условие измеримости функции): Пусть (X,S)(X, \mathcal{S}) — измеримое пространство, а f:X[,]f: X \rightarrow [-\infty , \infty ] — функция такая, что f1(a,]Sf^{-1}(a, \infty ] \in \mathcal{S} для всех aRa \in \mathbb {R}. Тогда ff является S\mathcal{S}-измеримой функцией.

Задача 2B.22

Пусть BRB \subseteq \mathbb {R} и f:BRf: B \rightarrow \mathbb {R} — возрастающая функция. Докажите, что ff непрерывна в каждой точке BB, кроме, быть может, точек некоторого счётного подмножества BB.

?
Задача 2B.23

Пусть f:RRf: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} — строго возрастающая функция. Докажите, что обратная функция f1:f(R)Rf^{-1}: f(\mathbb {R}) \rightarrow \mathbb {R} непрерывна.

?
Примечание.
?

Заметим, что в условии этой задачи не предполагается непрерывность ff.

Задача 2B.24

Пусть f:RRf: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} — строго возрастающая функция и BRB \subseteq \mathbb {R} — борелевское множество. Докажите, что f(B)f(B) — борелевское множество.

?
Задача 2B.25

Пусть BRB \subseteq \mathbb {R} и f:BRf: B \rightarrow \mathbb {R} — возрастающая функция. Докажите, что существует последовательность f1,f2,f_{1}, f_{2}, \ldots строго возрастающих функций из BB в R\mathbb {R} такая, что

f(x)=limkfk(x) f(x) = \lim _{k \rightarrow \infty } f_{k}(x)

для каждого xBx \in B.

?
Задача 2B.26

Пусть BRB \subseteq \mathbb {R} и f:BRf: B \rightarrow \mathbb {R} — ограниченная возрастающая функция. Докажите, что существует возрастающая функция g:RRg: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} такая, что g(x)=f(x)g(x) = f(x) для всех xBx \in B.

?
Задача 2B.27

Докажите или приведите контрпример: если (X,S)(X, \mathcal{S}) — измеримое пространство и

f:X[,] f: X \rightarrow [-\infty , \infty ]

— функция такая, что f1((a,))Sf^{-1}((a, \infty )) \in \mathcal{S} для каждого aRa \in \mathbb {R}, то ff является S\mathcal{S}-измеримой функцией.

?
Задача 2B.28

Пусть f:BRf: B \rightarrow \mathbb {R} — борелевски измеримая функция. Определим g:RRg: \mathbb {R} \rightarrow \mathbb {R} следующим образом:

g(x)={f(x) если xB0 если xR\B g(x) = \begin{cases} f(x) & \text{ если } x \in B \\ 0 & \text{ если } x \in \mathbb {R} \backslash B\end{cases}

Докажите, что gg — борелевски измеримая функция.

?
Задача 2B.29

Приведите пример измеримого пространства (X,S)(X, \mathcal{S}) и семейства {ft}tR\left\{ f_{t}\right\}_{t \in \mathbb {R}} такого, что каждая ftf_{t} является S\mathcal{S}-измеримой функцией из XX в [0,1][0,1], но функция f:X[0,1]f: X \rightarrow [0,1], определённая как

f(x)=sup{ft(x):tR} f(x) = \sup \left\{ f_{t}(x): t \in \mathbb {R}\right\}

не является S\mathcal{S}-измеримой.

?
Примечание.
?

Сравните эту задачу с 2.53, где индексное множество — N\mathbb {N}, а не R\mathbb {R}.

Задача 2B.30

Покажите, что

limj(limk(cos(j!πx))2k)={1 если x рационально 0 если x иррационально  \lim _{j \rightarrow \infty }\left(\lim _{k \rightarrow \infty }(\cos (j!\pi x))^{2 k}\right) = \begin{cases} 1 & \text{ если } x \text{ рационально } \\ 0 & \text{ если } x \text{ иррационально }\end{cases}

для каждого xRx \in \mathbb {R}.

?
Примечание.
?

Этот пример принадлежит Анри Лебегу.