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La convergencia en la medida es equivalente a la convergencia en la métrica

Trabajamos en el marco de una sapiencia medible $X$ con una medida completa y finita $\mu$ . Decimos que una secuencia de funciones $\left( f_{n}\right)$ definidas en un espacio medible, convergen en medida a una función medible $f$ si \begin {equation*} \forall \varepsilon >0: \lim_ {n \rightarrow + \infty } \mu \left ( \left\ { x \in X \mid \left\vert f_{n} \left ( x \right ) -f \left ( x \right ) \right\vert \geq \varepsilon \right\ } \right ) =0, \end {equation*} donde $\mu$ es una medida sobre $X$ . Denotamos esta convergencia con $f_{n}% \overset{\mu }{\rightarrow }f$ . Demostrar que \begin {equation*} f_{n} \overset { \mu }{ \rightarrow }f \quad \Leftrightarrow \quad f_{n} \overset {d}{ \rightarrow }f, \end {equation*} donde $d$ es una pseudo métrica en un espacio medible $X$ definido por \begin {equation*} d \left ( f,g \right ) := \min \left\ { 1, \inf_ { \alpha >0} \mu \left ( \left\ { x \in X \mid \left\vert f \left ( x \right ) -g \left ( x \right ) \right\vert \geq \alpha \right\ } \right ) \right\ } . \end {equation*}

Mi intento fue escribir y reescribir la definición de las convergencias y luego, utilizando la caracterización con $\varepsilon $ para la convergencia de una secuencia, para obtener al menos una implicación. Pero me quedo atascado. Parece que no hay relación entre estos dos tipos de convergencia. Gracias por cualquier ayuda.

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nobody Puntos 873

Supongamos primero que $f_n \overset{\mu}\to f$ . Queremos demostrar que $d(f_n,f) \to 0$ . Claramente, tenemos $$d(f_n,f) \leq \inf_{\alpha>0} \mu(\{x \in X \mid |f_n(x) - f(x)| \ge \alpha\}) \leq \mu(\{x \in X \mid |f_n(x) - f(x)| \ge 1\}) \to 0$$ tomando $\varepsilon = 1$ en la definición de $f_n \overset{\mu} \to f$ que da el resultado deseado.

La otra implicación no es cierta porque se puede alcanzar el $\inf$ haciendo $\alpha$ grande en la definición de $d$ pero la definición de convergencia en la medida es más estricta para $\varepsilon$ cerca de $0$ . Por ejemplo, dejemos que $f_n(x) = 1$ casi seguro y $f(x) = 0$ casi seguro. Entonces $$\mu(\{x \in X \mid |f_n(x) - f(x)| \geq 2\}) = 0$$ desde $|f_n(x) - f(x)| = 1$ casi seguro. Esto significa que $d(f_n,f) = 0$ por cada $n$ . Sin embargo, está claro que el $f_n$ no converge en medida a $f$ desde $$\mu(\{x \in X \mid |f_n(x) - f(x)| \geq \frac12\}) = 1.$$

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