Zagadnienia

10. Jak szukać miar niezmienniczych

10.1. Twierdzenie Kryłowa- Bogoliubowa

Rozważmy przekształcenie mierzalne względem σ- ciała F, T:X→X. Czy X ma jakąś miarę niezmienniczą określoną na F? Otóż- nie musi tak być. Rozważmy

Przykład 10.1

Rozważmy przekształcenie T:0,1→0,1 określone wzorem T⁢x=12⁢x dla x≠0, T⁢0=1. Wówczas T jest oczywiście mierzalne względem σ-ciała zbiorów borelowskich na 0,1, ale nie istnieje borelowska miara niezmiennicza dla T. Istotnie, ponieważ 0,1=T-1⁢0,12=T-2⁢0,14=…⁢T-n⁢0,12n, mamy μ((0,1])=μ((0,12], czyli μ((12,1]=0 i, podobnie, sprawdzamy że μ⁢12k,12k-1=0. Zatem jedyna miara niezmiennicza musiałaby być skupiona w punkcie 0, ale, ponieważ T⁢0≠0, ta miara też nie jest niezmiennicza

Widzimy, że powyższy przykład jest nieco sztuczny; ciągłe przekształcenie zostało zmodyfikowane w punkcie stałym i w ten sposób wyrugowaliśmy jedyną miarę niezmienniczą dla wyjściowego, ciągłego przekształcenia domkniętego odcinka 0,1.

Istotnie mamy następujące

Twierdzenie 10.1 (Twierdzenie Kryłowa- Bogoliubowa)

Jeśli X jest przestrzenią metryczną zwartą, T:X→X przekształceniem ciągłym, to istnieje przynajmniej jedna borelowska miara niezmiennicza dla T.

Uwaga 10.1

Zauważmy że to twierdzenie jest nietrywialne, o ile T nie ma żadnej orbity okresowej. Jeśli bowiem x,T⁢x,…⁢Tn⁢x=x jest orbitą okresową, to miara

μx=1n⁢δx+δT⁢x+…+δTn-1⁢x

jest niezmienniczą miarą borelowską.

Zanim przystąpimy do dowodu Twierdzenia, zapiszemy warunek na niezmienniczość miary w innej, równoważnej formie: Przypomnijmy, że niezmienniczość miary oznacza że μ(T-1(A)=μ(A) dla każdego mierzalnego zbioru A. Z przekształceniem ciągłym T:X→X możemy związać ciągłe przekształcenie T*:C⁢X→C⁢X dane wzprem

T*⁢ϕ⁢f=ϕ⁢f∘T
Stwierdzenie 10.1

Jeśli X jest przestrzenią metryczną zwartą, T:X→X przekształceniem ciągłym to borelowska miara regularna jest niezmiennicza dla T wtedy i tylko wtedy gdy T*⁢μ=μ.

Założmy że T*⁢μ=μ. Mamy pokazać że dla każdego borelowskiego zbioru A mamy μ(T-1(A)=μ(A). Z regularności miary wynika że dla każdego dodatniego ε istnieją zbiory E⊃A⊃F (E- otwarty, F- domknięty) takie że μ⁢E<μ⁢A-ε<μ⁢A+ε<μ⁢F oraz μ⁢T-1⁢E<μ⁢T-1⁢A-ε<μ⁢T-1⁢A+ε<μ⁢T-1⁢F Istnieje funkcja ciągła f:X→R taka że f|F=1, f|X∖E=0, 0≤f≤1. Mamy zatem

μ⁢f-μ⁢A<2⁢ε

,

μ⁢f∘T-μ⁢T-1⁢A<2⁢ε

Stąd (skoro μ⁢f∘T=μ⁢f)

|μ(T-1(A)-μ(A)|<4ε

Wobec dowolności ε, μ(T-1(A)=μ(A). Odwrotnie, jeśli dla każdego A borelowskiego μ(T-1(A)=μ(A), to możemy napisać dla funkcji ciągłej f≥0, (ale także dla dowolnej borelowskiej,f≥0

∫f⁢d⁢μ=∫0,∞μ⁢x∈X:f⁢x>t⁢d⁢leb

Z tego zapisu widać od razu że ∫f∘T=∫f. Ponieważ dowolną funkcję ciągłą f możemy teraz zapisać jako różnicę dwóch funkcji ciągłych nieujemnych f=f+-f-, dowód jest zakończony.

∎
Dowód Twierdzenia Kryłowa- Bogoliubowa

Przypomnijmy że każda borelowska regularna miara na X jest ciągłym funkcjonałem liniowym działającym na przestrzeni funkcji ciągłych C⁢X i, odwrotnie, każdy nieujemny (tj przyjmujący nieujemne wartości na funkcjach nieujemnych) funkcjonał ciągły na C⁢X jest dany przez pewną miarę borelowską regularną. (Ta odpowiedniość jest dana przez formułę: uscislic

μ⁢f=∫Xf⁢d⁢μ

W przestrzeni miar probabilistycznych rozpatrujemy słabą* topologię (to znaczy topologię pochodzącą z utożsamienia miar z funkcjonałami liniowymi na C⁢X, czyli elementami C⁢X*. Zastosujemy znane twierdzenie Banacha- Alaoglu, mówiące że kula jednostkowa w przestrzeni sprzężonej do przestrzeni Banacha jest zwarta w słabej-* topologii.

Uwaga 10.2

Słaba * topologia w przestrzeni miar unormowanych jest metryzowalna uzupelnic

Wyberzmy dowolny punkt x∈X i rozpatrzmy ciąg miar

μn=1n⁢δx+δT⁢x+…⁢δ⁢Tn-1⁢x

wybierzmy podciąg słabo zbieżny:

μnk=1nk⁢δx+δT⁢x+…⁢δ⁢Tnk-1⁢x→μ0 (10.1)

Miara μ0 jest wówczas szukaną miarą niezmienniczą.

Istotnie, sprawdzimy że T*⁢μ=μ. Mamy

T*⁢μnk=1nk⁢δT⁢x+δT2⁢x+…⁢δ⁢Tnk⁢x=μnk+1nk⁢δ⁢Tnk⁢x-δx (10.2)

Pozostaje jeszcze zauważyć że T*⁢μnk→t*⁢μ0 ,zaś 1nk⁢δ⁢Tnk⁢x-δx→0.

∎
Przykład 10.2

Obrót o kąt niewymierny (dokładniej: niewspółmierny z π ) na okręgu ma tylko jedną miarę niezmienniczą (jest nią oczywiście miara Lebesgue'a) - por. Stwierdzenie 2.1. Przekształcenia które mają tylko jedną miarę niezmienniczą nazywa się ścisle ergodycznymi.

Ćwiczenie 10.1

uogólnienie na przesunięcia na torusach

Ćwiczenie 10.2 (Inna konstrukcja półsprzężenia homeomorfizmu okręgu z obrotem)

Niech f będzie zachowującym orientację homeomorfizmem okręgu, o niewymiernej liczbie obrotu. Niech μ będzie borelowską miarą niezmienniczą. Wykazać że miara μ jest bezatomowa. Ustalmy x0∈S1 i oznaczmy przez x0,x dodatnio zorientowany łuk między punktami x0,x∈S1. Określamy przekształcenie h:S1→S1 wzorem

h⁢x=exp⁡2⁢π⁢i⁢μ⁢x0,x.

Niech β=μ⁢x0,f⁢x0. Wykazać że wówczas h jest ”pólsprzężeniem f z obrotem Tβ o kąt 2⁢π⁢β, tj.

h∘f=Tβ∘h.

Jaki jest związek β z liczbą obrotu dla f?

10.2. O sposobach szukania miar niezmienniczych w klasie miary Lebesgue'a. Operator Perrona-Frobeniusa

Jeśli rozważane przez nas przekszgtałcenie jest określone na podzbiorze Rn o dodatniej mierze Lebesgue'a, lub na rozmaitości gładkiej, to naturalne jest pytanie o zachowanie trajektorii punktów typowych w sensie miary Lebesgue'a. Twierdzenie ergodyczne daje taką odpowiedź, pod warunkiem że istnieje miara niezmiennicza (najlepiej: ergodyczna) bezwzględnie ciągła względem miary Lebesgue'a.

Przykład 10.3

Rozważmy kawałkami afiniczne przekształcenie odcinka T:0,1→0,1. Mamy: 0=a0<a1<a2<…<an=1. Każdy z odcinkow [ai,ai+10 jest przekształcany afinicznie na cały odcinek 0,1.

Dla tego przekształcenia miara Lebesgue'a jest niezmiennicza (dlaczego?)

Jeśli teraz rozważymy podobne przekształcenie - ale dopuścimy żeby T przekształcalo ścisle monotonicznie i gładko każdy z odcinków naszego podziału na cały odcinek 0,1 ale niekoniecznie afinicznie - to miara Lebesgue'a (na ogól) nie jest już niezmiennicza. NA tym prostym przykładzie omówimy technikę, która pozwala (również w znacznie ogólniejszych sytuacjach) rozstrzygać o istnieniu miary niezmienniczej w klasie miary Lebesgue'a i o jej własnościach. Wykres przekształcenia T jest przedstawiony na rysunku  10.1.

Wykres przekształcenia $T$
Rys. 10.1. Wykres przekształcenia T.
Twierdzenie 10.2

Niech a0=0<a1<a2<…<ak=1. Oznaczmy I=⁢ai-1,ai (zatem 0,1=⋃i=1kIi).

Rozpatrujemy przekształcenie T:0,1→0,1 o następujących własnościach:

  1. (1) T jesli klasy C2 na każdym odcinku Ii i przekształca ścisle monotonicznie odcinek Ii na 0,1.

  2. (2) T′|Ii>α>1

  3. (3) T rozszerza się do przekształcenia klasy C2 na trochę większy odcinek (zatem druga pochodna T′′ jest ograniczona na Ii)

Wówczas istnieje miara niezmiennicza bezwzględnie ciągła względem miary Lebesgue'a. Ponadto, gęstość g tej miary względem miary Lebesgue'a jest ograniczona z gory i z dołu: istnieją stałe c,C takie że

0<c<g⁢x<C

Będziemy postępować według dowodu twierdzenia Kryłowa- Bogoliobowa, biorąc za punkt startowy- miarę Lebesgue'a na odcinku 0,1. Oznaczmy ją przez ν. Rozpatrujemy ciąg miar νn=T*n⁢ν. Następnie rozpatrzymy (tak jak w dowodzie tw Kryłowa- Bogoliubowa) średnie miar νn

μn=1n⁢ν0+ν1+…+νn

Nie jest trudno zauważyć że każda z tych miar jest bezwzględnie ciągła względem miary Lebesgue'a. Ale oczywiście nie wynika stąd że słaba granica podciągu jest też absolutnie ciągła. Dlatego udowodnimy trzy pomocnicze stwierdzenia. Najpierw wprowadzimy oznaczenie

int⁢Ii1,…⁢inn=Ii1∩T-1⁢Ii2∩…∩T-n⁢Iin

Zauważmy że odcinek 0,1 jest podzielony na rozłaczne int⁢Ii1,…⁢inn i że każdy odcinek int⁢Ii1,…⁢inn jest przekształcany przez iterację Tn ściśle monotonicznie na 0,1.

Stwierdzenie 10.2

Miara νn jest bezwzględnie ciągła względem miary Lebesgue'a z gęstością

gn⁢x=∑y∈T-1⁢x1|(Tn)′|(y)| (10.3)

Funkcja gn jest klasy C1

Wzór na gęstość obrazu miary Lebesgue'a przy przekstałceniu T wynika bezpośrednio z wzoru na całkowanie przez podstawienie. Zostawiamy jako ćwiczenie.

∎
Stwierdzenie 10.3

Ciąg funkcji gn⁢x jest wspólnie ograniczony z góry i z dołu: istnieją stałe c,C takie że

0<c<gn⁢x<C

Weźmy dwa punkty x,z∈0,1. Wówczas każdy z tych punktów na kn przeciwobrazów przy Tn; każdy w innym odcinku int⁢Ii1,…⁢inn. Możemy je więc w naturalny sposób polączyc w pary. Zatem dwa przeciwobrazy y∈t-n⁢x,w∈T-n⁢z są w parze jeśli dla każdego 0≤j<n punkty Tj⁢x i Tj⁢w należą do tego samego przedziału monotoniczności T. POnieważ na każdym takim przedziale T⁢"⁢" jest ograniczona, T′>1, więc funkcjia log⁡T′ spełnia warunek Lipschitza. Oznaczmy przez L wspólną stałą Lipschitza (dla wszystkich przedziałów). Możemy teraz porównać Tn′⁢y i (Tn)′(w)|: Mamy

log⁡Tn′⁢yTn′⁢w=log⁡Tn′⁢y-log⁡Tn′⁢w=∑i=0n-1log⁡T′⁢Ti⁢y-∑i=0n-1log⁡T′⁢Ti⁢w≤∑i=0n-1|log|T′(Ti(y)|-log|T′(Ti(w)||≤L⁢∑i=0n-1Ti⁢y-Ti⁢w (10.4)

Ponieważ przekształcenie T jest kawałkami rozszerzające (T′>α>1) , więc Ti⁢x-Ti⁢w<αn-i. Ostatnie wyrażenie można więc oszacować z góry przez uniwersalną stałą, niezależną od n (sumę odpowiedniego szeregu geometrycznego). Stąd wynika że

C-1<Tn′⁢yTn′⁢z<C

dla pewniej stałej C. Z wzoru (10.3) natychmiast wynika teraz że

gn⁢xgn⁢z<C

Ponieważ gn jest gęstością miary T*n⁢Leb, więc ∫gn=1. Istnieje zatem punkt y taki że gn⁢z≤1. Stąd zaś wynika że dla każdego x mamy gn⁢x<C. Z tego samego powodu: gn⁢x>1C dla każdego x.

∎

Ostatnie stwierdzenie jest ogólne; nie dotyczy tylko tej konkretnej sytuacji:

Stwierdzenie 10.4

Jeśli ciąg miar probabilistycznych μn na prostej jest słabo-* zbieżny do miary μ i gęstości miar μn są wspólnie ograniczone z gory i z dołu przez stałe dodatnie c,C, to miara graniczna μ też jest bezwzględnie ciągła i gęstość jest ograniczona przez te same stałe (prawie wszędzie).

Skorzystamy z równoważnej charakteryzacji słabej zbieżności miar (rozkładów) na prostej: ciąg miar jest słabo zbieżny wtedy i tylko wtedy gdy ciąg dystrybuant jest zbieżny punktowo, w każdym punkcie ciągłości dystrybuanty miary granicznej. Zatem- jesli μn→μ i rozpatrzymy odcinek J=[a,b]) taki że μ⁢∂⁡J=0 (czyli μ nie ma atomów w końcach przedziału) to

μ⁢J=lim⁡μn⁢J=lim⁡∫Jgn≤C⁢J

Zatem- dla każdego odcinka J którego końce nie są atomami miary μ

μ⁢J≤C⁢J. (10.5)

Atomów jest tylko przeliczalnie wiele, więc każdy odcinek J można przybliżyć z góry odcinkami o końcach nie będących atomami. Łatwo stąd widać że nierówność (10.5) zachodzi dla wszystkich przedziałów J⊂0,1. Ponieważ dla każdego zbioru borelowskiego w 0,1 można znaleźć zawierający go zbiór otwarty (czyli sumę przeliczanej liczby otwartych odcinków) o mierze Lebesgue'a dowolnie blisko przybliżającej miarę naszego zbioru, łatwo stąd otrzymujemy nierówność (10.5) dla dowolnego zbioru borelowskiego. Wynika stąd że miara μ jest bezwzględnie ciągła względem miary Lebesgue'a i że gęstość jest ograniczona z góry przez C. Podobnie otrzymujemy teraz ograniczenie z dołu gęstości przez c. Szczegóły pomijamy.

∎

Z tych trzech stwierdzeń teza naszego Twierdzenia wynika natychmiast; wystarczy zauważyć że ograniczenia na gęstość miar νn z góry i z dołu przenoszą się od razu na takie same ograniczenia dla gęstości miar μn. Szukana miara niezmiennicza jest słabą granicą pewnego podciągu ciągu miar μn.

∎

Wykażemy jeszcze

Twierdzenie 10.3

Miara μ jest ergodyczna.

Szkic dowodu

Do dowodu ergodyczności posłużymy się twierdzeniem Lebesgue'a o punktoach gęstości. Założmy zatem że miara μ nie jest ergodyczna; istnieje wówczas w pełni niezmienniczy podzbiór E miary niezerowej i niepełnej Wówczas również Leb⁢E>0 i Leb⁢Ec>β>0. Z twierdzenia Lebesgue'a wynika że prawie każdy punkt x0∈E jest punktem gęstości tego zbioru.

Niech Ii1,…⁢inn będzie odcinkiem n- tego podziału do którego należy x0. Z szacowania (10.4) zastosowanego do dowlonych punktów z,w∈Ii1,…⁢inn wynika że wahanie pochodnej (Tn)′| na odcinkach n-tego podziału jest ograniczone przez stałą C. Stąd i z niezmienniczości zbioru E wnioskujemy że

Leb⁢Ec∩Ii1,…⁢innLeb(Ii1,…⁢inn))>C-1⁢β (10.6)

Jeśli teraz B jest kulą o środku w x0 i promieniu równym długości odcinka Ii1,…⁢inn, to otrzymujemy stąd

Leb⁢Ec∩BLeb⁢B>12⁢C-1⁢β (10.7)

co oczywiście przeczy temu że x0 jest punktem gęstości.

∎

Treść automatycznie generowana z plików źródłowych LaTeXa za pomocą oprogramowania wykorzystującego LaTeXML.

Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.

Projekt współfinansowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego i przez Uniwersytet Warszawski.