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Cómo dividir la integral en dos partes

Esta pregunta es un producto de una conversación con Theo Buehler en los comentarios a esta respuesta. Vamos a resolver las definiciones.

Definición Deje $(\Omega, \mathcal{F}, \mu)$ ser una medida en el espacio. Decimos que $X\in \mathcal{F}$ es un átomo de si $\mu(X) > 0$ y su único subconjunto de los estrictamente positivo medida es $X$ sí. $\Omega$ se dice que no atómica si no hay átomos de existir.

Así, en un no-atómica medir el espacio que siempre se puede dividir un subconjunto medible en los más pequeños. Ahora la pregunta es: ¿tenemos algún control sobre esta división? Podemos dividir algo en dos partes? Estoy especialmente interesado en los siguientes.

Pregunta Deje $(\Omega, \mathcal{F}, \mu)$ ser un no-atómica medir el espacio y $f \in L^1(\Omega), f \ge 0$. Están ahí y medibles disjuntos $A, B \subset \Omega$ tal que $A \cup B = \Omega$ y

$$\int_A f(x)\, d\mu= \int_B f(x)\, d\mu=\frac{1}{2}\int_\Omega f(x)\, d\mu?$$

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goric Puntos 5230

Yo he revisado mi respuesta, como me sentí el original hizo un flaco favor a la OP y el lector por restar importancia a la dificultad de la pregunta. Es un problema agradable!

El OP es correcto que un no-atómica probabilidad de que el espacio es maravillosamente flexible, y se puede dividir en piezas con determinadas probabilidades. El hecho crucial de necesario es que siempre podemos dividir un espacio tan exactamente en dos. Es decir, existe $B\in{\cal F}$, de modo que $\mu(B)=1/2$. Búsqueda de $B$ no es trivial, pero no es terriblemente difícil. Es asignado a menudo como un ejercicio de una teoría de la medida de la clase. Un argumento usando el Lema de Zorn se puede encontrar en la Wikipedia. También, es el Ejercicio 2.17 (página 31) en Probabilidad y Medida (2ª edición)por Patrick Billingsley, y Corolario 1.12.10 (página 56) en el Volumen 1 de Bogachev, la Teoría de la Medida.

Una vez que tenemos este resultado, podemos crear un uniforme de$(0,1)$ variable aleatoria en nuestro espacio de la siguiente manera. Comience con un conjunto $B(1/2)\in{\cal F}$$\mu(B(1/2))=1/2$. La división de $B(1/2)$ y su complemento exactamente en dos, se obtiene una partición de cuatro conjuntos cada uno con $\mu$ medida de $1/4$. Por inducción, puede crear una colección de $B(q)$ indexados por el diádica racionales $q$, de modo que $q\leq r$ implica $B(q)\subseteq B(r)$$\mu(B(q))=q$. Ahora defina $U(\omega)=\inf (q : \omega\in B(q))$. La variable aleatoria $U$ tiene un uniforme de$(0,1)$ distribución, es decir, $U$ es un medibles mapa de espacio de Lebesgue $(\Omega,{\cal F},\mu) \to ((0,1),{\cal B},\lambda)$. Cualquier división (o representación) en $(0,1)$ ahora puede ser llevada a $\Omega$ través $U$.

Una consecuencia de ello es que el $(\Omega,{\cal F},\mu)$ puede servir como el "común de probabilidad espacio" para Skorokhod del teorema de representación. En particular, para cualquier probabilidad de medida $\nu$ en $\mathbb{R}$, existe una variable aleatoria $Y:\Omega\to\mathbb{R}$ de modo que la ley de $Y$$\nu$. La elección de $\nu$ a ser un discretos medida demuestra que se puede dividir la $\Omega$ a de un número finito de o contables de la colección de $B_i$ de los conjuntos medibles con $\mu(B_i)=p_i$ para cualquier $\sum_i\ p_i=1$ $p_i\geq 0$ .

Mi respuesta (y los comentarios) aquí la Construcción de "patológico" medidas también pueden ayudar.

Por supuesto, usted realmente no necesita toda la potencia de Skorokhod del resultado. Pero vale la pena recordar que cualquier no-atómica probabilidad de que el espacio es "universal" en este sentido.

No puedo resistir la tentación de tomar nota también de que la representación se extiende a la polaca espacios. Para cualquier probabilidad de medida $\nu$ en un espacio polaco $(S,{\cal B}(S))$, existe un variable aleatoria $Y:\Omega\to S$ en su no-atómica espacio para que la ley de $Y$$\nu$.

Finalmente, acerca de la pregunta 2? O tenemos el caso trivial $\int_\Omega f(x) \mu(dx)=0$, o $$\mu_f(B)={\int_B f(x) \mu(dx)\over \int_\Omega f(x) \mu(dx)}$$ define un nuevo no-atómica probabilidad de medida que puede split $\Omega$ exactamente en la mitad.

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John Fouhy Puntos 759

He aquí un esbozo de la prueba de que cualquier conjunto finito de medida puede ser cortado en dos mitades de igual medida. Esta prueba funciona en un entorno de no-atómica de Radón medida definidos a través de una localmente compacto Hausdorff espacio.

Llamamos a (medibles) conjunto adecuado si se tiene un resultado positivo, finito medida.

  1. Mostrar que cada conjunto adecuado tiene un subconjunto de una menor medida.
  2. Deducir que cada conjunto adecuado tiene un subconjunto de arbitrariamente pequeña medida.
  3. A la conclusión de que cada conjunto adecuado $A$ tiene un subconjunto cuya medida se encuentra en $(\mu(A)/3, \mu(A)/2]$.
  4. Deducir que $A$ puede ser cortado en dos mitades de igual medida.

Como Byron muestra arriba, un fácil corolario es que no son subconjuntos de a $A$ de la arbitraria medida en $[0,\mu(A)]$.

Hay un buen generalización: vamos a $\mu_1,\ldots,\mu_k$ ser medidas como el anterior, vamos a $A$ ser un conjunto finito de medida (en virtud de todas estas medidas), y vamos a $$ M = \{(\mu_1(B),\ldots,\mu_k(B)) : B \subset A \text{ is measurable wrt } \mu_1,\ldots,\mu_k\}. $$ A continuación, $M$ es un subconjunto convexo de $\mathbb{R}^k$.

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