Si prende lo spazio ([0,1],B([0,1]),L), dove L([a,b])=b−a. Ogni funzione misurabile f:[0,1]→R è una v.a.; il suo valor medio si chiama integrale di Lebesgue di f.
Fatto chiave. Se f è misurabile e integrabile secondo Riemann, allora è integrabile secondo Lebesgue e i due integrali coincidono.
La somma inferiore I−(f,π) è il valor medio di una funzione a scala Xπ≤f; la superiore è il valor medio di Yπ≥f.
Per monotonia E[Xπ]≤E[f]≤E[Yπ].
Sup e inf sulle partizioni danno entrambi ∫01f, quindi E[f]=∫01f.
Per f di segno qualsiasi si applica il ragionamento a f+ e f−.
2. Che cosa sono gli insiemi di misura nulla?
A⊂Rn ha misura nulla se per ogni ε>0 esiste una famiglia numerabile di cubi Qk con A⊆⋃kQk e ∑kVol(Qk)≤ε.
Esempio
Misura nulla?
Un punto, un insieme numerabile (i razionali)
Sì
Ogni sottoinsieme di un insieme di misura nulla
Sì
Un intervallo [a,b] con a<b
No
Il problema. Gli insiemi di misura nulla sono «più» dei Boreliani: esistono insiemi di misura nulla che non sono Boreliani, quindi strettamente non misurabili.
3. Che cos'è il completamento di una σ-algebra?
Uno spazio (Ω,E,P) è completo se ogni sottoinsieme di un evento di probabilità 0 è un evento.
Si aggiungono ai Boreliani tutti gli insiemi di misura nulla: B([0,1])=σ(B([0,1])∪{N:N di misura nulla}),L(N)=0. Ogni elemento si scrive A=A′∪N, con A′ boreliano e N di misura nulla, e si pone L(A)=L(A′).
In analisi la «misura di Lebesgue» è di solito questa estensione, definita su tutto R o Rn.
4. Che cosa dice il teorema di Lebesgue sulle funzioni integrabili secondo Riemann?
Teorema. Se f:[0,1]→R è integrabile secondo Riemann, esiste N di misura nulla tale che f è continua su [0,1]∖N.
Conseguenza. Ogni funzione Riemann-integrabile è misurabile rispetto al completamento dei Boreliani. Quindi l'integrale di Lebesgue generalizza davvero quello di Riemann.
Su R la misura di Lebesgue non è finita; grazie alla convergenza monotona il suo integrale estende anche l'integrale improprio di funzioni non negative. Nei calcoli si usano le solite regole di Analisi.
5. Quando si possono scambiare limite e valor medio?
Risultato
Ipotesi
Tesi
Convergenza monotona
0≤Xn≤Xn+1, Xn→X
E[Xn]→E[X]
Convergenza dominata
Xn→X, ∣Xn∣≤Y con E[Y]<∞
E[Xn]→E[X]
Lemma di Fatou
Xn≥0
E[liminfnXn]≤liminfnE[Xn]
Controesempio.fn=n su (0,n1), 0 altrove. fn→0 in ogni punto, ma ∫01fn=1 per ogni n. Limite degli integrali =1>0= integrale del limite. Non esiste una Y integrabile che domini tutte le fn.
Fatou descrive questa perdita di massa: al limite la massa può solo diminuire, mai aumentare.
Catena delle dimostrazioni. Convergenza monotona ⇒ Fatou (con Yn=infk≥nXk, crescente) ⇒ convergenza dominata (Fatou applicato a Xn+Y e a Y−Xn).
6. Come si usano i teoremi di convergenza negli esercizi?
Esercizio
Teorema
Risultato
nlim∫01(1+x)n1+nx2dx
Dominata: limite puntuale 0 in (0,1], funzioni limitate
0
∫01−xplogxdx
Monotona: si tronca su [n1,1−n1] e si integra per parti
(p+1)21
nlim∫01f(xn)e−xdx, f limitata e continua in 0
Dominata: limite puntuale f(0)e−x
f(0)(1−e−1)
Controllo. Con p=1: ∫01−xlogxdx=41.
7. Quali sono le trappole tipiche per i concetti di questa lezione?
Convergenza puntuale non basta per scambiare limite e integrale: serve monotonia o dominazione.
La dominante deve essere una sola, indipendente da n, e con valor medio finito.
Fatou dà solo una disuguaglianza e vale per variabili non negative.
Misura nulla non vuol dire vuoto: i razionali sono infiniti e densi ma hanno misura 0.
Ci sono funzioni integrabili secondo Lebesgue ma non secondo Riemann (l'indicatrice dei razionali), non il viceversa per funzioni misurabili.
8. Quiz della lezione (10 domande)
Domande di ripasso create per questa scheda a partire dalla dispensa (non sono il test ufficiale della piattaforma). Scegli una risposta: ricevi subito esito e spiegazione.