12.2 度量空间中的一些点集拓扑知识
定义
(12.2.1 球)设
是一个度量空间, 是 中的一个点,并设 。我们将 中依度量 以 为中心,半径等于 的球 定义为集合: 如果我们能清楚的知道度量空间
是什么,那么也可以将 简记为 。 (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
中,球 是一个开圆盘;如果将度量替换为出租测度量,那么 是一个正方形;如果使用离散度量,那么球 是一个单点集,而球 是整个空间 ;也有些不那么几何直观的球,例如在具有通常度量 的度量空间 中,区间 就是球 ) (12.2.5 内点,外点和边界点)设
是一个度量空间, 是 的一个子集,并且设 是 中的一个点。如果能找到一个半径 的球 ,那么我们称 是 的内点;如果能找到一个半径 的球 ,那么我们称 是 的外点;如果 既不是 的内点也不是 的外点,那么我们称 是 的边界点。 此外,我们称
的所有内点所构成的集合叫做 的内部,有时记为 ; 的所有外点所构成的集合叫做 的外部,有时记为 ; 的所有边界点所构成的集合叫做 的边界,有时记为 。 (注:如果
是 的内点,那么 肯定是 中的元素;如果 是 的外点,那么 肯定不是 中的元素。因此 不可能既是 的内点又是 的外点。如果 是 的边界点,那么不能直接判断 是不是 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) (12.2.9 闭包)设
是一个度量空间, 是 的一个子集,并且设 是 中的一个点。如果对任意的半径 ,球 与 的交集总是非空的,那么我们称 是 的附着点。 的全体附着点构成的集合称为 的闭包,并记为 。 (12.2.12 开集和闭集)设
是一个度量空间,并且设 是 的一个子集。如果 包含了自身所有的边界点,也即 ,那么我们称 是闭的;如果 不包含自身任何的边界点,也即 ,那么我们称 是开的;如果 包含了部分自身的边界点而不包含其余边界点,那么 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
, 和 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
(12.2.10)设
是一个度量空间, 是 的一个子集,并且设 是 中的一个点。那么下面的命题在逻辑上是等价的: 是 的附着点。 要么是 的内点,要么是 的边界点。 - 在
中能够找到一个依度量 收敛于点 的序列 。
(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:
- (12.2.11)设
是一个度量空间,并且设 是 的一个子集。那么有 成立。
(12.2.15 开集和闭集的基本性质)设
是一个度量空间。 - 设
是 的一个子集,那么 是开的,当且仅当 ,换言之, 是开的,当且仅当对任意的 ,存在一个 使得 。 - 设
是 的一个子集,那么 是闭的,当且仅当 包含了自身所有的附着点,换言之, 是闭的,当且仅当对于 中的任意一个收敛序列 ,都有 属于 。 - 对于任意的
和 ,球 都是开集,集合 是闭集(这个集合有时候被称为以 为中心,半径为 的闭球)。 - 任何一个单点集
都是闭的,其中 。 - 如果
是 的一个子集,那么 是开的,当且仅当它的补集 是闭的。 - 如果
, , , 是 中的有限个开集,那么 也是开的;如果 , , , 是 中的有限个闭集,那么 也是闭的。 - 如果
是 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 也是开的;如果 是 中的一簇闭集,那么交集 也是闭的。 - 如果
是 的任意一个子集,那么 是包含在 中的最大开集。换言之, 是开集,并且对任意给定的其它开集 均有 ;类似地, 是包含 中的最小闭集。换言之, 是闭集,并且对任意给定的其它闭集 均有 。
- 设
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
具有离散度量,并设 是 的任意一个子集,那么 中的每一个元素都是 的内点;任何不包含在 中的点都是 的外点,并且 没有边界点。 注意到对任意的
,球 ,从而有 。于是根据定义12.2.5有 是 的一个内点。 然后对任意的
,球 ,从而有 。于是根据定义12.2.5有 是 的一个外点。 然后根据上面的讨论我们知道对任意
,若有 则 是 的一个内点; 则 是 的一个外点。于是不存在 既不是 的内点也不是 的外点,根据定义12.2.5有 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:
是 的附着点,当且仅当 要么是 的内点,要么是 的边界点。 若
是 的附着点,则根据定义12.2.9有对任意的半径 ,球 与 的交集总是非空的。因此根据定义12.2.5, 肯定不是 的外点(不存在 使得 与 的交集为空)。又因为定义12.2.5我们知道 只可能是 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 要么是 的内点,要么是 的边界点。 反过来,若
要么是 的内点,要么是 的边界点,则 肯定不是 的外点,于是根据定义12.2.5应当有不存在 使得 与 的交集为空,换言之即对任意的 都有 ,于是根据定义12.2.9即有 是 的附着点。 综上,
是 的附着点,当且仅当 要么是 的内点,要么是 的边界点。
- 证明:
是 的附着点,当且仅当在 中能够找到一个依度量 收敛于点 的序列 。 若
是 的附着点,则根据定义12.2.9对任意的半径 都有 。于是考虑指标集 ,然后对任意的 令有: 由上面的讨论我们知道对任意的
都有 是非空的,根据选择公理我们能为每个 中自然数 都制定了一个 ,于是可以组成一个序列 (也就是序列 ,根据 的定义我们显然有序列 是完全由 中元素组成的)。然后我们对序列 讨论: 注意到对任意的实数
,根据阿基米德原理都存在一个自然数 使得 ,于是对任意的 ,根据 的定义我们有: 又因为
,于是结合度量的始终大于 即可以推知对任意 都有 ,从而根据实数序列收敛的定义我们可以得到 ,再根据定义12.1.14我们有 依度量 收敛于点 ,于是也即在 中能够找到一个依度量 收敛于点 的序列 。 反过来,若在
中能够找到一个依度量 收敛于点 的序列 ,则根据定义12.1.14我们有 ,于是对任意的实数 都存在一个自然数 使得对任意的 都有 ,也即有 。于是在上面的讨论中得证了对任意的 都有球 与 的交集非空,于是根据定义12.2.9有 是 的一个附着点。 综上,
是 的附着点,当且仅当在 中能够找到一个依度量 收敛于点 的序列 。
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
是 的与任意的 , 恰好是 的内点,外点,或者边界点中的一种。从而 的外部,内部与边界凉凉不相交并且有 。 证明:
首先根据定义12.2.5,如果
是 的边界点,那么 不是 的内点或者外点;若 是 的内点,则存在 使得 ,从而有 ;若 是 的外点,则存在 使得 ,于是 。从而 不可能既是 的内点又是 的外点。于是综合即有 至多能分类到这三种中的一种。 另一方面,
必然属于 的内点,外点,或者边界点中的一个,因为若 不是 的内点或外点则根据定义12.2.5 是 的边界点,于是 总能分类到这三种中的至少一种。 综上,于是
恰好是 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:
- 设
是一个 的子集,那么 是开的,当且仅当 ,换言之, 是开的,当且仅当对任意的 ,存在一个 使得 。 若
是开的,则对任意 ,根据定义12.2.12有 不是 的边界点,然后根据辅助结论证明中的讨论 也不能是 的外点,于是根据辅助结论 只能是 的内点,从而 ;另一方面,在辅助结论的证明我们也得到了对任意 是 的内点都有 ,于是有 ,综合即有 。 反过来,若
,于是根据辅助结论有 ,根据定义12.2.12即 是开的。
- 设
是一个 的子集,那么 是闭的,当且仅当 包含了自身所有的附着点,换言之, 是闭的,当且仅当对于 中的任意一个收敛序列 ,都有 属于 。 若
是闭的,则 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 包含了自身所有的内点。于是根据命题12.2.10,对任意 的附着点 ,它要么是 的边界点,要么是 的内点,无论哪种 情况都有 ,从而即 包含了自身所有的附着点。 若
包含了自身所有的附着点,则根据命题12.2.10,对任意 的边界点 都有 是 的附着点,于是 ,从而即 。根据定义12.2.12,即有 是闭的。
- 对于任意的
和 ,球 都是开集,集合 是闭集(这个集合有时候被称为以 为中心,半径为 的闭球)。 我们先证明
,即对任意 都有 是 的内点。 根据定义应该有
,于是实数 应该是大于 的,此时我们考虑任意的 ,根据度量球的定义应该有 ,进而根据度量空间的三角不等式,应该有: 从而有
,于是 ,根据定义12.2.5有 是 的内点。 于是根据结论(a)我们有
是开集。 然后我们记
,证明闭球 包含了自身全部的附着点。 考虑任意
是 的附着点,根据命题12.2.10,存在一个完全由 中元素组成的序列 收敛于 。于是根据定义12.2.14对任意的 ,都存在 使得对任意的 都有 成立。 又因为
是由 中元素组成的,于是对任意的 都有 。于是根据度量空间的三角不等式我们有: 注意到这个结论对任意的
都可以找到对应的 组成上面的三角不等式,并且 是不依赖于 的,因此我们只能有 ,从而 。于是任意 是 的附着点都属于 。 于是根据结论(b)可以得到
是闭的。
- 任何一个单点集
都是闭的,其中 。 考虑任意
是 的附着点,根据命题12.2.10应该存在一个完全由 中元素组成的序列 收敛于 ,注意到由于 是一个单元素集,因此只能有对任意的 都有 ,从而只能有 。 于是
只有唯一的附着点 ,进而由于 包含了自身所有的附着点(唯一的 )结合结论(b)有 是闭的。
- 如果
是 的一个子集,那么 是开的,当且仅当它的补集 是闭的。 注意到对任意
, 是 的内点当且仅当 是 的外点,这是因为: 若
是 的内点,则根据定义存在 使得 ,于是有 ,根据定义12.2.5即有 是 的外点;反过来,若 是 的外点,则存在 使得 ,于是 ,根据定义12.2.5即有 是 的内点。 注意到上面的结论也蕴含了“对任意
, 是 的外点当且仅当 是 的内点”(替换 为 , 为 即可)。于是我们可以得到:对任意 , 是 的边界点当且仅当 是 的边界点,这是因为: 若
是 的边界点,则 既不是 的内点或外点,于是 相应的也不可能是 的外点或内点,根据辅助结论于是 只能是 的边界点,反过来也是类似。 于是若
是开的,则根据上面的讨论对任意 的边界点 , 是 的边界点,进而根据开集的定义有 ,于是即有 包含了自身所有的边界点,即有 是闭的;反过来,若 是闭的,则根据上面的讨论对任意 的边界点 , 是 的边界点,于是根据闭集的定义有 ,于是 包含了自身所有的边界点,即有 是开的。 综上,于是结论得证。
- 如果
, , , 是 中的有限个开集,那么 也是开的;如果 , , , 是 中的有限个闭集,那么 也是闭的。 先证明第一个结论,对任意
,于是对任意 ,我们可以定义下面的集合: 根据结论(a),由于对任意
都有 是 的内点,因此 都是非空的。于是根据选择公理,对任意 我们都可以指定一个 ,换句话说,我们可以组成下面这样一个有限集 : 由于
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 使得对任意 都有 ,从而对任意 有: 于是任意
都满足对任意 有 ,从而有 ,根据结论(a)可得 是开的。 然后证明第二个结论,根据结论(b)即证明:对于
中的任意一个收敛序列 ,都有 属于 。 注意到
必然满足:至少存在一个 使得对任意的 ,都存在一个 使得 。这是因为: 使用反证法,假设对任意
都存在 使得对任意的 都有 ,注意到集合: 是有限的,因此其上确界应当属于自身,我们记为
,从而对任意的 ,对任意 都有: 但是由于
是由 中元素构成的序列,因此至少应该存在一个 使得 ,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
,然后对任意 ,定义 为: 由于上面的性质,因此这个定义总是有效的,并且
是一个完全由 中元素组成的点列。于是根据子序列的定义,我们有序列 是序列 的一个子序列,于是根据命题6.6.5有: 由于
依度量 收敛于 ,于是根据依度量收敛的定义有上面的极限等于 ,进而 是依度量 收敛于 的。根据命题12.2.10有 也是 的一个附着点,从而根据 是闭的与结论(b)可以得到 。 综上,于是根据结论(b)可以得到
是闭的。
- 如果
是 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 也是开的;如果 是 中的一簇闭集,那么交集 也是闭的。 先证明第一个结论,如果
是 中的一簇开集,则对任意 ,存在一个 使得 。由于 是开集,于是存在一个 使得 ,从而根据结论(a)可以得到 是开的。 再证明第二个结论,如果
是 中的一簇闭集,则对 中的任意一个收敛序列 ,特别地对任意 都有 是 中的收敛序列。由于 是闭集,根据结论(b)应该有 属于 。综合可得对任意 都有 ,即有 ,于是此时根据结论(b)可以得到 是闭的。
- 如果
是 的任意一个子集,那么 是包含在 中的最大开集。换言之, 是开集,并且对任意给定的其它开集 均有 ;类似地, 是包含 中的最小闭集。换言之, 是闭集,并且对任意给定的其它闭集 均有 。 先证明第一个结论,考虑任意的
是开集且 ,则根据结论(a)对任意的 都存在 使得 ,于是根据内点定义我们有 也是 的内点,即有 ,于是我们总能得到 。 然后证明
是开集,对任意的 ,都存在 使得 。根据结论(c)我们知道 是一个开集,从而根据上面的讨论可以得到 ,于是此时根据结论(a)可以直接得证 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
是闭集且 ,由于闭包 包含了 所有的附着点,于是根据命题12.2.10对任意的 ,存在一个完全由 中元素组成的序列 收敛于 ,注意到由于 因此 也是完全由 中元素组成的,因此结合 是闭集与结论(b)可以得到 ,于是我们总能得到 。 然后证明
是闭的,考虑任意的完全由 中元素组成的收敛序列 ,不妨设其依度量 收敛于 ,即有: 然后由于
中元素都是 的附着点,于是根据附着点的定义,对任意的 ,集合 总是非空的。从而根据选择公理,我们可以为每一个 指定一个 。于是 满足 且: 于是对实数序列
,可以根据比较原理得到它的极限值为: 即有
是依度量 收敛于 的,又因为 是完全由 中点组成的,于是 也是 的附着点,从而根据闭包的定义有 ,然后根据结论(b)可以得到 是闭的。 综上,于是证明完毕。
12.2.4 设 是一个度量空间, 是 中的一个点,并设 。设 是开球 ,并设 是闭球
(a) 证明:
根据命题12.2.15(c)我们有
是闭的,并且注意到 ,然后根据命题12.2.15(h)有 是包含 的最小闭集,于是只能有 。
(b) 举例说明,存在度量空间 ,点 与半径 使得
考虑
与离散度量 ,点 与半径 。此时可以得到: 然后根据命题12.2.5(d)我们可以得到
,从而此时有 。