13

Измеримые функции и отображения

[17/18%]
Показать
LaTeX
Задача 13.1

Функции часто определяются по частям (например, пусть f(x)f(x) равно x3x^{3} или x−1x^{-1} при x≥0x \geq 0 или x<0x<0), и следующий результат показывает, что функция измерима, если измеримы её части.

Рассмотрим измеримые пространства (Ω,F)(\Omega , \mathscr {F}) и (Ω′,F′)(\Omega^{\prime }, \mathscr {F}^{\prime }) и отображение TΩ→Ω′T \quad \Omega \rightarrow \Omega^{\prime }. Пусть A1,A2,…A_{1}, A_{2}, \ldots — счётное покрытие Ω\Omega множествами из F\mathscr {F}. Рассмотрим σ\sigma-алгебру Fn=[A:A⊂An,A∈F]\mathscr {F}_{n}=\left[A: A \subset A_{n}, A \in \mathscr {F}\right] в AnA_{n} и сужение TnT_{n} отображения TT на AnA_{n}. Покажите, что TT измеримо F/F′\mathscr {F} / \mathscr {F}^{\prime } тогда и только тогда, когда TnT_{n} измеримо Fn/F′\mathscr {F}_{n} / \mathscr {F}^{\prime } для каждого nn.

?
Задача 13.2
?
(a)

Для отображения TT и σ\sigma-алгебр F\mathscr {F} и F′\mathscr {F}^{\prime } определим T−1F′=[T−1A′:A′∈F′]T^{-1} \mathscr {F}^{\prime }=\left[T^{-1} A^{\prime }: A^{\prime } \in \mathscr {F}^{\prime }\right] и TF=[A′:T−1A′∈F]T \mathscr {F}=\left[A^{\prime }: T^{-1} A^{\prime } \in \mathscr {F}\right]. Покажите, что T−1F′T^{-1} \mathscr {F}^{\prime } и TFT \mathscr {F} являются σ\sigma-алгебрами и что измеримость F/F′\mathscr {F} / \mathscr {F}^{\prime } равносильна и T−1F⊂FT^{-1} \mathscr {F} \subset \mathscr {F}, и F′⊂TF\mathscr {F}^{\prime } \subset T \mathscr {F}.

(b)

Для заданного F′\mathscr {F}^{\prime }, T−1F′T^{-1} \mathscr {F}^{\prime }, являющаяся наименьшей σ\sigma-алгеброй, относительно которой TT измеримо F/F′\mathscr {F} / \mathscr {F}^{\prime }, по определению называется σ\sigma-алгеброй, порождённой TT. Для простых случайных величин опишите σ(X1,…,Xn)\sigma \left(X_{1}, \ldots , X_{n}\right) в этих терминах.

(c)

Пусть σ′(A′)\sigma^{\prime }\left(\mathscr {A}^{\prime }\right) — σ\sigma-алгебра в Ω′\Omega^{\prime }, порождённая A′\mathscr {A}^{\prime }. Покажите, что σ(T−1A′)=T−1(σ′(A′))\sigma \left(T^{-1} \mathscr {A}^{\prime }\right)= T^{-1}\left(\sigma^{\prime }\left(\mathscr {A}^{\prime }\right)\right). Докажите теорему 10.1, взяв в качестве TT тождественное отображение из Ω0\Omega_{0} в Ω\Omega.

Задача 13.3

↑\uparrow Предположим, что f:Ω→R1f: \Omega \rightarrow R^{1}. Покажите, что ff измерима T−1F′T^{-1} \mathscr {F}^{\prime } тогда и только тогда, когда существует отображение φ:Ω′→R1\varphi : \Omega^{\prime } \rightarrow R^{1}, такое что φ\varphi измеримо F′\mathscr {F}^{\prime } и f=φTf=\varphi T. Указание: сначала рассмотрите простые функции, а затем воспользуйтесь теоремой 13.5.

?
Задача 13.4

↑ Свяжите результат задачи 13.3 с теоремой 5.1(ii).

?
Задача 13.5

Покажите для вещественных функций ff и gg, что f(ω)+g(ω)<xf(\omega )+g(\omega )<x тогда и только тогда, когда существуют рациональные rr и ss, такие что r+s<x,f(ω)<rr+s<x, f(\omega )<r и g(ω)<sg(\omega )<s. Докажите непосредственно, что f+gf+g измерима F\mathscr {F}, если измеримы ff и gg.

?
Задача 13.6

Пусть F\mathscr {F} — σ\sigma-алгебра в R1R^{1}. Покажите, что R1⊂F\mathscr {R}^{1} \subset \mathscr {F} тогда и только тогда, когда каждая непрерывная функция измерима F\mathscr {F}. Таким образом, R1\mathscr {R}^{1} — наименьшая σ\sigma-алгебра, относительно которой измеримы все непрерывные функции.

?
Задача 13.7

Рассмотрим на R!R^{!}наименьший класс X\mathscr {X} (то есть пересечение всех классов) вещественных функций, содержащий все непрерывные функции и замкнутый относительно поточечных предельных переходов. Элементы X\mathscr {X} называются функциями Бэра. Покажите, что функции Бэра и борелевские функции на R1R^{1} — это одно и то же.

?
Задача 13.8

Вещественная функция ff на прямой называется полунепрерывной сверху в точке xx, если для каждого ϵ\epsilon найдётся такое δ\delta, что из ∣x−y∣<δ\left|x-y\right|<\delta следует f(y)<f(x)+ϵf(y)<f(x)+\epsilon. Покажите, что если ff полунепрерывна сверху всюду, то она измерима.

†{ }^{\dagger } Но см. задачу 13.14.

?
Задача 13.9

Предположим, что fnf_{n} и ff — конечнозначные, F\mathscr {F}-измеримые функции, такие что fn(ω)→f(ω)f_{n}(\omega ) \rightarrow f(\omega ) для ω∈A\omega \in A, где μ(A)<∞\mu (A)<\infty ( μ\mu — мера на F\mathscr {F} ). Докажите теорему Егорова: для каждого ϵ\epsilon существует подмножество BB множества AA, такое что μ(B)<ϵ\mu (B)<\epsilon и fn(ω)→f(ω)f_{n}(\omega ) \rightarrow f(\omega ) равномерно на A−BA-B. Указание: пусть Bn(k)B_{n}^{(k)} — множество тех ω\omega в AA, для которых ∣f(ω)−fi(ω)∣>k−1\left|f(\omega )-f_{i}(\omega )\right|>k^{-1} при некотором i≥ni \geq n. Покажите, что Bn(k)↓/∅B_{n}^{(k)} \downarrow / \varnothing при n↑∞n \uparrow \infty, выберите nkn_{k} так, чтобы μ(Bnk(k))<ϵ/2k\mu \left(B_{n_{k}}^{(k)}\right)<\epsilon / 2^{k}, и положим B=⋃k=1∞Bnk(k)B=\bigcup_{k=1}^{\infty } B_{n_{k}}^{(k)}.

?
Задача 13.10

↑\uparrow Покажите, что теорема Егорова неверна без предположения μ(A)<∞\mu (A)<\infty.

?
Задача 13.11

2.9↑2.9 \uparrow Покажите, что если ff измерима σ(A)\sigma (\mathscr {A}), то существует счётный подкласс Af\mathscr {A}_{f} класса A\mathscr {A}, такой что ff измерима σ(Af)\sigma \left(\mathscr {A}_{f}\right).

?
Задача 13.12

Круговая мера Лебега. Пусть CC — единичная окружность на комплексной плоскости, и определим T:[0,1)→CT:[0,1) \rightarrow \mathcal{C} формулой Tω=e2πiωT \omega =e^{2 \pi i \omega }. Пусть B\mathscr {B} состоит из борелевских подмножеств [0,i)[0, i), а λ\lambda — мера Лебега на B\mathscr {B}. Покажите, что b=[A:T−1A∈B]\mathscr {b}=\left[A: T^{-1} A \in \mathscr {B}\right] состоит из тех множеств в R2\mathscr {R}^{2} (отождествляя R2R^{2} с комплексной плоскостью), которые содержатся в CC. Покажите, что C\mathscr {C} порождается дугами CC. Круговая мера Лебега определяется как μ=λT−1\mu =\lambda T^{-1}. Покажите, что μ\mu инвариантна относительно вращений: μ[θz:z∈A]=μ(A)\mu [\theta z: z \in A]= \mu (A) для A∈CA \in \mathscr {C} и θ∈C\theta \in C.

?
Задача 13.13

↑\uparrow Предположим, что круговая мера Лебега множества AA удовлетворяет μ(A)>1−n−1\mu (A)>1-n^{-1}, а BB содержит не более nn точек. Покажите, что некоторое вращение переводит BB в AA, то есть θB⊂A\theta B \subset A для некоторого θ\theta из CC.

?
Задача 13.14

Покажите на примере, что σ\sigma-конечность μ\mu не влечёт σ\sigma-конечности μT−1\mu T^{-1}.

?
Задача 13.15

Рассмотрим меру Лебега λ\lambda, ограниченную на класс B\mathscr {B} борелевских множеств в ( 0,1 ]. Для фиксированной перестановки n1,n2,…n_{1}, n_{2}, \ldots натуральных чисел, если xx имеет двоичное разложение x1x2…x_{1} x_{2} \ldots, положим Tx=.xn1xn2…T x=. x_{n_{1}} x_{n_{2}} \ldots. Покажите, что TT измеримо B/B\mathscr {B} / \mathscr {B} и что λT−1=λ\lambda T^{-1}=\lambda.

?
Задача 13.16

Пусть HkH_{k} — объединение интервалов ((i−1)/2k,i/2k]\left((i-1) / 2^{k}, i / 2^{k}\right] при чётных ii, 1≤i≤2k1 \leq i \leq 2^{k}. Покажите, что если 0<f(ω)≤10<f(\omega ) \leq 1 для всех ω\omega и Ak=f−1(Hk)A_{k}=f^{-1}\left(H_{k}\right), то f(ω)=∑k=1∞IAk(ω)/2kf(\omega )= \sum_{k=1}^{\infty } I_{A_{k}}(\omega ) / 2^{k} — бесконечная линейная комбинация индикаторов.

?
Задача 13.17

Пусть S={0,1}S=\left\{ 0,1\right\}, и определим отображение TT из пространства последовательностей S∞S^{\infty } в [0,1][0,1] формулой Tω=∑k=1∞ak(ω)/2kT \omega =\sum_{k=1}^{\infty } a_{k}(\omega ) / 2^{k}. Определим отображение UU из [0,1][0,1] в S∞S^{\infty } формулой Ux=(d1(x),d2(x),…)U x=\left(d_{1}(x), d_{2}(x), \ldots \right), где dk(x)d_{k}(x) — цифры непериодического двоичного разложения xx (и dk(0)≡0d_{k}(0) \equiv 0 ). Покажите, что TT измеримо C/B\mathscr {C} / \mathscr {B} и что UU измеримо B/C\mathscr {B} / \mathscr {C}. Пусть PP — мера, задаваемая формулой (2.21) при p0=p1=12p_{0}=p_{1}=\frac{1}{2}. Опишите PT−1P T^{-1} и λU−1\lambda U^{-1}.

?