实分析

12.2 度量空间中的一些点集拓扑知识

定义

  1. (12.2.1 球)(X,d)是一个度量空间,x0X中的一个点,并设r>0。我们将X中依度量dx0为中心,半径等于rB(X,d)(x0,r)定义为集合:

    B(X,d)(x0,r):={xX:d(x,x0)<r}

    如果我们能清楚的知道度量空间(X,d)是什么,那么也可以将B(X,d)(x0,r)简记为B(x0,r)

    (注:考虑平面集上的几何直观或许有助于理解度量球的概念,例如在二维欧几里得空间R2中,球B(R2,dl2)((0,0),1)是一个开圆盘;如果将度量替换为出租测度量,那么B(R2,dl1)((0,0),1)是一个正方形;如果使用离散度量,那么球B(R2,ddisc)((0,0),1)是一个单点集,而球B(R2,ddisc)((0,0),2)是整个空间R2;也有些不那么几何直观的球,例如在具有通常度量d的度量空间R中,区间(3,7)就是球B(R,d)(5,2)

  2. (12.2.5 内点,外点和边界点)(X,d)是一个度量空间,EX的一个子集,并且设x0X中的一个点。如果能找到一个半径r>0的球B(x0,r)E,那么我们称x0E内点;如果能找到一个半径r>0的球B(x0,r)E=,那么我们称x0E外点;如果x0既不是E的内点也不是E的外点,那么我们称x0E边界点

    ​ 此外,我们称E的所有内点所构成的集合叫做E内部,有时记为int(E)E的所有外点所构成的集合叫做E外部,有时记为ext(E)E的所有边界点所构成的集合叫做E边界,有时记为E

    (注:如果x0E的内点,那么x0肯定是E中的元素;如果x0E的外点,那么x0肯定不是E中的元素。因此x0不可能既是E的内点又是E的外点。如果x0E的边界点,那么不能直接判断x0是不是E中的元素,并且边界点也并非总是存在的,例如习题12.2.1中的例子)

  3. (12.2.9 闭包)(X,d)是一个度量空间,EX的一个子集,并且设x0X中的一个点。如果对任意的半径r>0,球B(x0,r)E的交集总是非空的,那么我们称x0E附着点E的全体附着点构成的集合称为E闭包,并记为E

    (注:这些概念同我们曾经在实直线上定义的概念(定义9.1.8定义9.1.10)是一致的,不妨想想为什么)

  4. (12.2.12 开集和闭集)(X,d)是一个度量空间,并且设EX的一个子集。如果E包含了自身所有的边界点,也即EE,那么我们称E闭的;如果E不包含自身任何的边界点,也即EE=,那么我们称E开的;如果E包含了部分自身的边界点而不包含其余边界点,那么E是既不是开的也不是闭的。

    (注:如果一个集合没有边界,那么它就同时是开的或者闭的。在很多的情形下对度量空间(X,d)X都是唯二既开又闭的集合,但是也有例外,例如在离散度量下所有的集合都是既开又闭的)


命题

  1. (12.2.10)(X,d)是一个度量空间,EX的一个子集,并且设x0X中的一个点。那么下面的命题在逻辑上是等价的:

    1. x0E的附着点。
    2. x0要么是E的内点,要么是E的边界点。
    3. E中能够找到一个依度量d收敛于点x0的序列(xn)n=1

    (注:由于前两条命题等价,于是我们可以推出一个关于闭包的有用结论,也就是推论12.2.11)

    推论:

    1. (12.2.11)(X,d)是一个度量空间,并且设EX的一个子集。那么有E=int(E)E=X\ext成立。
  2. (12.2.15 开集和闭集的基本性质)(X,d)是一个度量空间。

    1. EX的一个子集,那么E是开的,当且仅当E=int(E),换言之,E是开的,当且仅当对任意的xE,存在一个r>0使得B(x,r)E
    2. EX的一个子集,那么E是闭的,当且仅当E包含了自身所有的附着点,换言之,E是闭的,当且仅当对于E中的任意一个收敛序列(xn)n=m,都有limnxn属于E
    3. 对于任意的x0Xr0>0,球B(x0,r0)都是开集,集合{xX:d(x,x0)r0}是闭集(这个集合有时候被称为以x0为中心,半径为r的闭球)。
    4. 任何一个单点集{x0}都是闭的,其中x0X
    5. 如果EX的一个子集,那么E是开的,当且仅当它的补集X\E:={xX:xE}是闭的。
    6. 如果E1E2...EnX中的有限个开集,那么E1E2...En也是开的;如果E1E2...EnX中的有限个闭集,那么E1E2...En也是闭的。
    7. 如果{Eα}αIX中的一簇开集(这里的指标集没有限制,可以是无限的或者有限的),那么并集αIEα也是开的;如果{Eα}αIX中的一簇闭集,那么交集αIEα也是闭的。
    8. 如果EX的任意一个子集,那么int(E)是包含在E中的最大开集。换言之,int(E)是开集,并且对任意给定的其它开集VE均有Vint(E);类似地,E是包含E中的最小闭集。换言之,E是闭集,并且对任意给定的其它闭集KE均有KE

课后习题

12.2.1 证明例12.2.8中的结论

例12.2.8:

如果集合X具有离散度量,并设EX的任意一个子集,那么E中的每一个元素都是E的内点;任何不包含在E中的点都是E的外点,并且E没有边界点。


注意到对任意的eE,球B(e,0.5)={e},从而有B(e,0.5)E。于是根据定义12.2.5有eE的一个内点。

然后对任意的xX\E,球B(x,0.5)={x},从而有B(x,0.5)E=。于是根据定义12.2.5有xE的一个外点。

然后根据上面的讨论我们知道对任意xX,若有xExE的一个内点;xExE的一个外点。于是不存在xX既不是E的内点也不是E的外点,根据定义12.2.5有E不存在边界点。

12.2.2 证明命题12.2.10(提示:对某些蕴含关系的证明需要用到选择公理,就像在引理8.4.5的证明中那样)

我们先证明(a)等价于(b),然后再证明(a)等价于(c),从而三个命题在逻辑上都是等价的。

  • 证明:x0E的附着点,当且仅当x0要么是E的内点,要么是E的边界点。

x0E的附着点,则根据定义12.2.9有对任意的半径r>0,球B(x0,r)E的交集总是非空的。因此根据定义12.2.5,x肯定不是E的外点(不存在r>0使得B(x0,r)E的交集为空)。又因为定义12.2.5我们知道x0只可能是E的内点,外点,边界点(不是内点也不是外点)中的一个,因此只能有x0要么是E的内点,要么是E的边界点。

反过来,若x0要么是E的内点,要么是E的边界点,则x0肯定不是E的外点,于是根据定义12.2.5应当有不存在r>0使得B(x0,r)E的交集为空,换言之即对任意的r>0都有B(x0,r)E,于是根据定义12.2.9即有x0E的附着点。

综上,x0E的附着点,当且仅当x0要么是E的内点,要么是E的边界点。


  • 证明:x0E的附着点,当且仅当在E中能够找到一个依度量d收敛于点x0的序列(xn)n=1

x0E的附着点,则根据定义12.2.9对任意的半径r>0都有B(x0,r)E。于是考虑指标集I:={nN:n0},然后对任意的αI令有:

Aα=B(x0,1α)E

由上面的讨论我们知道对任意的αI都有Aα是非空的,根据选择公理我们能为每个I中自然数α1都制定了一个xαAα,于是可以组成一个序列(xα)αI(也就是序列(xn)n=1,根据An的定义我们显然有序列(xn)n=1是完全由E中元素组成的)。然后我们对序列(xn)n=1讨论:

注意到对任意的实数ε>0,根据阿基米德原理都存在一个自然数N1使得ε>1N,于是对任意的nN,根据An的定义我们有:

xnB(x0,1n)Ed(xn,x0)<1n

又因为1n1N<ε,于是结合度量的始终大于0即可以推知对任意nN都有|d(xn,x0)|<ε,从而根据实数序列收敛的定义我们可以得到limnd(xn,x0)=0,再根据定义12.1.14我们有(xn)n=1依度量d收敛于点x0,于是也即在E中能够找到一个依度量d收敛于点x0的序列(xn)n=1

反过来,若在E中能够找到一个依度量d收敛于点x0的序列(xn)n=1,则根据定义12.1.14我们有limnd(xn,x0)=0,于是对任意的实数r>0都存在一个自然数N1使得对任意的nN都有d(xn,x0)<ε,也即有xnB(x0,r)E。于是在上面的讨论中得证了对任意的r>0都有球B(x0,r)E的交集非空,于是根据定义12.2.9有x0E的一个附着点。

综上,x0E的附着点,当且仅当在E中能够找到一个依度量d收敛于点x0的序列(xn)n=1

12.2.3 证明命题12.2.15(提示:可以使用前面的部分证明后面的部分)

先证明几个用得上的辅助结论:

辅助结论:对任意的EX的与任意的xXx恰好是E的内点,外点,或者边界点中的一种。从而E的外部,内部与边界凉凉不相交并且有int(E)ext(E)E=X

证明:

首先根据定义12.2.5,如果xE的边界点,那么x不是E的内点或者外点;若xE的内点,则存在r>0使得B(x,r)E,从而有xE;若xE的外点,则存在r>0使得B(x,r)E=,于是xE。从而x不可能既是E的内点又是E的外点。于是综合即有x至多能分类到这三种中的一种。

另一方面,x必然属于E的内点,外点,或者边界点中的一个,因为若x不是E的内点或外点则根据定义12.2.5xE的边界点,于是x总能分类到这三种中的至少一种。

综上,于是x恰好是E的内点,外点,或者边界点中的一种。

(其实这个结论在定义12.2.5几乎是直接显现的,不过仍然在此简要说明)

然后我们逐条证明:


  1. E是一个X的子集,那么E是开的,当且仅当E=int(E),换言之,E是开的,当且仅当对任意的xE,存在一个r>0使得B(x,r)E

E是开的,则对任意eE,根据定义12.2.12有e不是E的边界点,然后根据辅助结论证明中的讨论e也不能是E的外点,于是根据辅助结论e只能是E的内点,从而Eint(E);另一方面,在辅助结论的证明我们也得到了对任意eE的内点都有eE,于是有int(E)E,综合即有E=int(E)

反过来,若E=int(E),于是根据辅助结论有EE=int(E)E=,根据定义12.2.12即E是开的。


  1. E是一个X的子集,那么E是闭的,当且仅当E包含了自身所有的附着点,换言之,E是闭的,当且仅当对于E中的任意一个收敛序列(xn)n=m,都有limnxn属于E

E是闭的,则E包含了自身所有的边界点,而在辅助结论的证明中我们证明了E包含了自身所有的内点。于是根据命题12.2.10,对任意E的附着点e,它要么是E的边界点,要么是E的内点,无论哪种 情况都有eE,从而即E包含了自身所有的附着点。

E包含了自身所有的附着点,则根据命题12.2.10,对任意E的边界点e都有eE的附着点,于是eE,从而即EE。根据定义12.2.12,即有E是闭的。


  1. 对于任意的x0Xr0>0,球B(x0,r0)都是开集,集合{xX:d(x,x0)r0}是闭集(这个集合有时候被称为以x0为中心,半径为r的闭球)。

我们先证明B(x0,r0)=int(B(x0,r0)),即对任意xB(x0,r0)都有xB(x0,r0)的内点。

根据定义应该有r:=d(x,x0)<r0,于是实数r:=rr0应该是大于0的,此时我们考虑任意的xB(x,r),根据度量球的定义应该有d(x,x)<r,进而根据度量空间的三角不等式,应该有:

d(x,x0)d(x,x)+d(x,x0)<r+r=r0

从而有d(x,x0)<r0xB(x0,r0),于是B(x,r)B(x0,r0),根据定义12.2.5有xB(x0,r0)的内点。

于是根据结论(a)我们有B(x0,r0)是开集。

然后我们记C:={xX:d(x,x0)r0},证明闭球C包含了自身全部的附着点。

考虑任意xC的附着点,根据命题12.2.10,存在一个完全由C中元素组成的序列(xn)n=1收敛于x。于是根据定义12.2.14对任意的ε>0,都存在N1使得对任意的nN都有d(xn,x)ε成立。

又因为(xn)n=1是由C中元素组成的,于是对任意的n1都有d(xn,x0)r0。于是根据度量空间的三角不等式我们有:

d(x,x0)d(x,xn)+d(xn,x0)r0+ε

注意到这个结论对任意的ε>0都可以找到对应的xn组成上面的三角不等式,并且d(x,x0)是不依赖于ε的,因此我们只能有d(x,x0)r0,从而xC。于是任意xC的附着点都属于C

于是根据结论(b)可以得到C是闭的。


  1. 任何一个单点集{x0}都是闭的,其中x0X

考虑任意xX{x0}的附着点,根据命题12.2.10应该存在一个完全由{x0}中元素组成的序列(xn)n=1收敛于x,注意到由于{x0}是一个单元素集,因此只能有对任意的n1都有xn=x0,从而只能有x=x0

于是{x0}只有唯一的附着点x0,进而由于{x0}包含了自身所有的附着点(唯一的x0)结合结论(b)有{x0}是闭的。


  1. 如果EX的一个子集,那么E是开的,当且仅当它的补集X\E:={xX:xE}是闭的。

注意到对任意xXxE的内点当且仅当xX\E的外点,这是因为:

xE的内点,则根据定义存在r>0使得B(x,r)E,于是有B(x,r)(X\E)=,根据定义12.2.5即有xE的外点;反过来,若xX\E的外点,则存在r>0使得B(x,r)(X\E)=,于是B(x,r)E,根据定义12.2.5即有xE的内点。

注意到上面的结论也蕴含了“对任意xXxE的外点当且仅当xX\E的内点”(替换X\EEEX\E即可)。于是我们可以得到:对任意xXxE的边界点当且仅当xX\E的边界点,这是因为:

xE的边界点,则x既不是E的内点或外点,于是x相应的也不可能是X\E的外点或内点,根据辅助结论于是x只能是X\E的边界点,反过来也是类似。

于是若E是开的,则根据上面的讨论对任意X\E的边界点eeE的边界点,进而根据开集的定义有eEeX\E,于是即有X\E包含了自身所有的边界点,即有X\E是闭的;反过来,若X\E是闭的,则根据上面的讨论对任意E的边界点eeX\E的边界点,于是根据闭集的定义有eX\EeE,于是E包含了自身所有的边界点,即有E是开的。

综上,于是结论得证。


  1. 如果E1E2...EnX中的有限个开集,那么E1E2...En也是开的;如果E1E2...EnX中的有限个闭集,那么E1E2...En也是闭的。

先证明第一个结论,对任意eE1E2...En,于是对任意1mn,我们可以定义下面的集合:

Rm:={r>0:B(e,r)Em}

根据结论(a),由于对任意1mn都有eEm的内点,因此Rm都是非空的。于是根据选择公理,对任意1mn我们都可以指定一个rmRm,换句话说,我们可以组成下面这样一个有限集R

R:={rm:1mn}

由于R是有限的,因此其下确界必然属于自身,换言之,必然存在一个1m0n使得对任意1mn都有rm0rm,从而对任意1mn有:

B(e,rm0)B(e,rm)Em

于是任意xB(e,rm0)都满足对任意1mnxEm,从而有B(e,rm0)E1E2...En,根据结论(a)可得E1E2...En是开的。

然后证明第二个结论,根据结论(b)即证明:对于E1E2...En中的任意一个收敛序列(xi)i=0,都有x:=limixi属于E1E2...En

注意到(xi)i=0必然满足:至少存在一个1mn使得对任意的j0,都存在一个i>j使得xiEm。这是因为:

使用反证法,假设对任意1mn都存在jm0使得对任意的i>jm都有xiEm,注意到集合:

{jm:1mn}

是有限的,因此其上确界应当属于自身,我们记为j,从而对任意的i>j,对任意1mn都有:

i>jjmxiEm

但是由于(xi)i=0是由E1E2...En中元素构成的序列,因此至少应该存在一个1m0n使得xiEm0,于是导出了矛盾,反证假设不成立。

于是我们可以构建下面的递推关系:定义b(0):=min{iN:xiEm},然后对任意i>0,定义b(i)为:

b(i):=min{jN:j>b(i1)xjEm}

由于上面的性质,因此这个定义总是有效的,并且(xb(i))i=0是一个完全由Em中元素组成的点列。于是根据子序列的定义,我们有序列(d(xb(i),x))i=0是序列(d(xi,x))i=0的一个子序列,于是根据命题6.6.5有:

limnd(xb(i),x)=limnd(xi,x)

由于(xi)i=0依度量d收敛于x,于是根据依度量收敛的定义有上面的极限等于0,进而(xb(i))i=0是依度量d收敛于x的。根据命题12.2.10有x也是Em的一个附着点,从而根据Em是闭的与结论(b)可以得到xEmxE1E2...En

综上,于是根据结论(b)可以得到E1E2...En是闭的。


  1. 如果{Eα}αIX中的一簇开集(这里的指标集没有限制,可以是无限的或者有限的),那么并集αIEα也是开的;如果{Eα}αIX中的一簇闭集,那么交集αIEα也是闭的。

先证明第一个结论,如果{Eα}αIX中的一簇开集,则对任意eαIEα,存在一个βI使得eEβ。由于Eβ是开集,于是存在一个r>0使得B(e,r)EβB(e,r)αIEα,从而根据结论(a)可以得到αIEα是开的。

再证明第二个结论,如果{Eα}αIX中的一簇闭集,则对αIEα中的任意一个收敛序列(xn)n=m,特别地对任意αI都有(xn)n=mEα中的收敛序列。由于Eα是闭集,根据结论(b)应该有x:=limnxn属于Eα。综合可得对任意αI都有xEα,即有xαIEα,于是此时根据结论(b)可以得到αIEα是闭的。


  1. 如果EX的任意一个子集,那么int(E)是包含在E中的最大开集。换言之,int(E)是开集,并且对任意给定的其它开集VE均有Vint(E);类似地,E是包含E中的最小闭集。换言之,E是闭集,并且对任意给定的其它闭集KE均有KE

先证明第一个结论,考虑任意的V是开集且VE,则根据结论(a)对任意的vV都存在r>0使得B(v,r)VB(v,r)E,于是根据内点定义我们有v也是E的内点,即有vint(E),于是我们总能得到Vint(E)

然后证明int(E)是开集,对任意的eint(E),都存在r>0使得B(e,r)E。根据结论(c)我们知道B(e,r)是一个开集,从而根据上面的讨论可以得到B(e,r)int(E),于是此时根据结论(a)可以直接得证int(E)是开的,第一个结论证明完毕。

接着证明第二个结论,考虑任意的K是闭集且EK,由于闭包E包含了E所有的附着点,于是根据命题12.2.10对任意的xE,存在一个完全由E中元素组成的序列(xn)n=m收敛于x,注意到由于EK因此(xn)n=m也是完全由K中元素组成的,因此结合K是闭集与结论(b)可以得到xK,于是我们总能得到EK

然后证明E是闭的,考虑任意的完全由E中元素组成的收敛序列(bn)n=0,不妨设其依度量d收敛于c,即有:

limnd(bn,c)=0

然后由于E中元素都是E的附着点,于是根据附着点的定义,对任意的nN,集合B(bn,d(bn,c))E总是非空的。从而根据选择公理,我们可以为每一个nN指定一个anB(bn,d(bn,c))E。于是an满足anE且:

d(an,bn)d(bn,c)d(an,c)d(an,bn)+d(bn,c)2d(bn,c)

于是对实数序列(d(an,c))n=0,可以根据比较原理得到它的极限值为:

0d(an,c)2d(bn,c)limnd(an,c)=0

即有(an)n=0是依度量d收敛于c的,又因为(an)n=0是完全由E中点组成的,于是c也是E的附着点,从而根据闭包的定义有cE,然后根据结论(b)可以得到E是闭的。

综上,于是证明完毕。

12.2.4 设(X,d)是一个度量空间,x0X中的一个点,并设r>0。设B是开球B:=B(x0,r)={xX:d(x,x0)<r},并设C是闭球C:={xX:d(x,x0)r}
(a) 证明:BC

根据命题12.2.15(c)我们有C是闭的,并且注意到BC,然后根据命题12.2.15(h)有B是包含B的最小闭集,于是只能有BC

(b) 举例说明,存在度量空间(X,d),点x0与半径r使得BC

考虑X={x0,x1}与离散度量ddisc,点x0与半径1。此时可以得到:

B={xX:ddisc(x,x0)<1}={x0}C={xX:ddisc(x,x0)1}={x0,x1}

然后根据命题12.2.5(d)我们可以得到B=B={x0},从而此时有BC


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实分析 9.1 实直线的子集