实分析

13.4 连续性与连通性

定义

  1. (13.4.1 连通空间)(X,d)是一个度量空间,我们称X不连通的,当且仅当存在不相交的非空开集VW使得VW=X;我们称X连通的,当且仅当X是非空的且不是不连通的。

    (注:这个定义换一种说法即:X是不连通的,当且仅当X包含一个既闭又开的非空真子集;空集是一种很特殊的情况,它既不是不连通的,也不是连通的,应该认为空集是“无连通性的”;注意上面定义中VW都是关于X相对开的,作为一个例子,考虑具有标准度量的集合X:=[1,2][3,4],这个空间是不连通的,因为[1,2][3,4]X中的开集)

  2. (13.4.3 连通空间)(X,d)是一个度量空间,并设YX的子集。我们称Y连通的,当且仅当度量空间(Y,d|Y×Y)是连通的;我们称Y不连通的,当且仅当度量空间(Y,d|Y×Y)是不连通的。

    (注:很显然这个定义是内在的,它只与Y上的度量相关而与环绕空间X无关)


命题

  1. (13.4.5 实直线上的连通集?)X是实直线R的子集,那么下述命题是等价的:

    1. X是连通的。
    2. 只要xyXx<y,那么区间[x,y]就包含在X中。
    3. X是一个区间(在定义9.1.1意义下)。

    (注:因此定义13.4.1可以视为对定义11.1.1的推广)

  2. (13.4.6 连续性保持连通性)f:XY是从度量空间(X,dX)到度量空间(Y,dY)的连续映射,并设EX的任意一个连通子集。那么f(E)也是连通的。

  3. (13.4.7 介值定理)f:XY是从度量空间(X,dX)到实直线R的连续映射,设EX的任意一个连通子集,abE中任意两个元素,并设y是介于f(a)f(b)之间的实数。那么存在cE使得f(c)=y

    (注:这是对定理9.7.1的推广)


课后习题

13.4.1 设(X,ddisc)是具有离散度量的度量空间,设EX的子集,并且E中至少包含两个元素。证明:E是不连通的

在习题12.2.1中我们论述过离散度量下空间内的集合不存在边界点(从而集合必然是又闭又开的),由于E至少存在两个元素,若设有eEE中元素,则E\{e}是非空的,于是E可以表示为{e}(E\{e}),这两个集合满足不相交,非空且都是开集。于是根据定义13.4.1E不是连通的。

13.4.2 设f:XY是从度量空间(X,d)到度量空间(Y,ddisc)的函数,其中(X,d)是连通的空间,(Y,ddisc)具有离散度量。证明:f是连续的,当且仅当f是常数函数(提示:利用习题13.4.1)

分别证明充分必要性:

f是常数函数则对任意的(x(n))n=1X中依度量d收敛于某个点x0X的序列,序列(f(x(n)))n=1是一个常数序列必然收敛于f(x0)(对任意xX都有f(x)=f(x0)),从而根据命题13.1.5我们有f是连续的。

反过来,如果f是连续的,那么由于X是连通的,结合定理13.4.6于是f(X)也应该是连通的。由于f是一个函数因此f(X)不可能为空;又由于我们在习题13.4.1中讨论的,f(X)是连通的则它不可能包含超过两个元素。综合即有f(X)是一个单元素集,若设有f(X)={y},则根据象的定义即:

xX,f(x){y}f(x)=y

于是f是一个常数函数。

综上,于是充分必要性得证,证明完毕。

13.4.3 证明:定理13.4.5中的命题(b)与(c)是等价的

分别证明这两个命题能互相推知:

若对任意xyX满足x<y都有区间[x,y]就包含在X中。由于XR的子集,根据上下确界的定义(5.5节)知道它的上确界s:=sup(X)和下确界i:=inf(X)都必然存在,我们证明X是一个形如[i,s][i,s)(i,s](i,s)的区间。为了证明这一点,我们只需要证明(i,s)XX[i,s],这样X的形式只与is是否属于X有关,而X始终是一个区间。

首先根据命题6.2.11我们知道对任意xX都有ixs,于是X[i,s]得证;另一方面,对任意i<x<s,由于x<s,从而x不可能是X的上界(命题6.2.11),因此必然存在一个yX使得x<ys;同时x>i表明x不可能是X的下界,因此必然存在一个zX使得iz<x。然后使用前设我们知道[z,y]X,从而必然有xX。于是(i,s)X也得证。

于是综上我们有X肯定是形如[i,s][i,s)(i,s](i,s)的区间。

反过来,若X是一个区间,则我们以X为形如[a,b]的区间为例子,其它区间也是类似:此时对任意xyXx<y都有:

ax<yb

于是对任意z[x,y],我们都有:

axzybazbz[a,b]

即有zX,于是区间[x,y]是包含于X的,对形如(a,b)(a,b][a,b)的情形类似地证明即可。

13.4.4 证明定理13.4.6(提示:定理13.1.5(c)中对于连续性的表述在这里是最方便的)

不妨使用反证法,我们假设f(E)不是连通的,那么存在f(E)中的两个非空不相交开集VW使得f(E)=VW。于是根据定理13.1.5(c)即有f1(V)f1(W)都是开集。此时注意到对任意xE,我们都有f(x)Ef(x)Vf(x)W,于是x要么属于f1(V)要么属于f1(W)

于是使用命题12.3.4,我们知道f1(V)Ef1(W)E也是开的,然后在上面的讨论中我们知道f1(V)Ef1(W)E是不相交且非空的(由于VW非空因此至少分别存在xyE使得f(x)Vf(y)W为真),并且根据布尔代数有:

(f1(V)E)(f1(W)E)=E(f1(V)f1(W))=E

于是根据不连通的定义有E是不连通的,这和定理13.4.6中E是连通的”的前提矛盾。

综上,于是只能有f(E)是连通的。

13.4.5 利用定理13.4.6证明推论13.4.7

f(a)=f(b)的话则x可以直接取ab,结论显然是成立的。我们只考虑f(a)f(b)的情况。

根据定理13.4.6,由于E是连通的我们知道f(E)也是连通的。进而由于f(E)是实直线的子集,使用命题13.4.5我们知道区间[f(a),f(b)](这里不失一般性地假定f(a)<f(b))是包含于f(E),因此y[f(a),f(b)]也必然有yE。从而根据象的定义,我们知道必然存在一个cE使得f(c)=y

综上,于是推论13.4.7得证。

13.4.6 设(X,d)是一个度量空间,(Eα)αIX中的一簇连通集,并设αIEα是非空的。证明:αIEα是连通的

使用反证法,我们假设αIEα是不连通的,于是存在αIEα中非空且不相交的两个开集VW使得αIEα=VW。然后注意到如果存在某个αI使得EαVEαW都是非空的(这两个不可能同时为空,不然就会导出Eα为空的结论与连通性相悖),那么根据命题12.3.4的结论由于这两个集合都是开集并且:

(EαV)(EαW)=Eα(VW)=Eα

这会导出Eα是不连通的,与我们的题设相悖,从而对任意的αIEαVEαW中恰好有一个为空,换言之即Eα要么包含于V要么包含于W。然后注意到若存在两个α1α2I使得Eα1VEα2W,则由于VW是不相交的于是αIEα=,这与题设中αIEα非空的前提矛盾,从而对全体αI只能有Eα同时包含于V或者同时包含于W

但是注意到若对任意的αI都有EαV则会导出αIEαV,结合VαIEα的子集于是即有αIEα=VW=;“对任意的αI都有EαW”的情况我们也可以类似推出V是空集,这和VW都非空的反证假设矛盾,反证假设不成立。

综上,于是αIEα只能是是连通的。

13.4.7 设(X,d)是一个度量空间,并设EX的子集。我们称E道路连通的,当且仅当对于任意的xyE,存在一个从单位区间[0,1]E的连续函数γ:[0,1]E使得γ(0)=xγ(1)=y。证明:每一个道路连通的集合都是连通的(逆命题是不成立的,证明这一点需要一点技巧,然后原书没说怎么搞)

对一个(X,d)中的道路连通集E,我们不妨假设它不是连通的,从而根据定义13.4.1存在E中的两个不相交的非空开集VW使得E=VW。特别地,由于这两个集合都是非空的,因此我们可以分别选取两个元素xVyW,然后根据道路连通集的定义,存在一个[0,1]E的连续函数γ:[0,1]E使得γ(0)=xγ(1)=y

由于[0,1]是一个区间,根据命题13.4.5我们知道[0,1]是连通的,从而根据命题13.4.6我们知道γ([0,1])也是连通的,并且注意到xy都属于象γ([0,1])。又由VWE中的开集,且γ([0,1])E的子集,根据命题12.3.4可以知道Vγ([0,1])Wγ([0,1])都是γ([0,1])中的开集。并且注意到两者显然是不相交且非空的(xVγ([0,1])yWγ([0,1])),然后有:

(Vγ([0,1]))(Wγ([0,1]))=γ([0,1])(VW)=γ([0,1])

于是根据定义13.4.1我们知道γ([0,1])是不连通的,这与γ([0,1])连通的前提矛盾。

综上,于是任意道路连通的集合都是连通的。


关于逆命题,并不是所有的连通集合都是道路连通的,这一点在额外注释中本人收录了一个例子,详情参考:额外注释:非道路连通但是连通的集合

13.4.8 设(X,d)是一个度量空间,并设EX的子集。证明:如果E是连通的,那么E的闭包E也是连通的,并解释逆命题是否成立

不妨使用反证,假设E不是连通的,于是存在两个E中的非空不相交开集VW使得E=VW。由于V是开集,于是对任意xV都存在一个ε>0使得球B(x,ε)V;又由于闭包的性质x应该是E的附着点,从而B(x,ε)E的交集是非空的。从而我们得到VE的交集VE是非空的,类似地我们也可以证明WE的交集WE也是非空的。

然后根据命题12.3.4,VEWEE中的开集,由于VW不相交因此显然VEWE是不相交的。并且由布尔代数我们有:

(VE)(WE)=E(VW)=EE

然后根据命题12.2.15(h)我们知道有EE,于是EE=E。总结下上面得到的内容即有:

存在E中的两个非空不相交开集VEWE使得(VE)(WE)=E

于是根据定义13.4.1,我们有E是不连通的,这和题设中E是连通的前提矛盾。

综上,于是只能有E也是连通的。


关于逆命题,显然是不成立的,考虑R中的集合[0,2],它显然是集合[0,1)(1,2]的闭包,但是[0,1)(1,2]是不连通的([0,1)(1,2]都是[0,1)(1,2]中的开集且两者不相交)。

13.4.9 设(X,d)是一个度量空间,我们定义一个X上的关系xy:我们称xy,当且仅当在X中存在一个同时包含xy的连通子集。证明:这是一种等价关系(也就是说,它满足自反性,对称性和传递性公理)。另外,证明:这种关系的等价类(即形如{yX:yx}的集合,其中xX全是连通的闭集(提示:利用习题13.4.6和习题13.4.8),这些集合被称为X连通分支

证明:是一种等价关系。

于是要证明:

  • 满足自反性公理:对任意xX我们都有xx

    显然单元素集{x}肯定是X中连通的子集(凑不出两个不相交的非空开集),因此对任意xX根据上面的定义总有xx为真。

  • 满足对称性公理:对任意xyX,若有xy,则有yx

    xy当且仅当存在X的包含xy的连通子集,这也表明yx(换一种表述形式而已),于是对称性公理也总是满足的。

  • 满足传递性公理:对任意xyzX,若有xyyz,则有xz

    xy表明X中存在一个包含xy的连通子集Sxyyz表明X中存在一个包含yz的连通子集Syz。注意到ySxySyz的都包含的元素,因此SxySyz必然是非空的。于是此时我们令有Sxz:=SxySyz,显然有Sxz是包含了xzX的子集,并且根据习题13.4.6由于SxySyz非空因此Sxz是连通的。

    于是综合即存在X的连通子集Sxz包含xz,从而根据定义即有xz

综上,于是结论得证。


证明:的等价类都是连通的闭集。

我们先证明对任意xX,集合{yX:yx}都是连通的。

使用反证,我们假设{yX:yx}是不连通的,于是存在两个非空且不相交的开集VW使得VW={yX:yx}。于是我们设有vVwW,然后由于满足传递性公理,于是我们可以从vxwx推知vw,即存在一个X中的连通子集S包含vw

然后对任意的sS,由于xSS是连通的,于是根据的定义也有sxs{yX:yx},也即{yX:yx}包含了S。于是根据命题12.3.4我们知道VSWS也是开集;并且由于vSwS我们知道这两个集合是非空的;由于VW不相交我们知道这两个集合也是不相交的,最后使用布尔代数可以得到:

(VS)(WS)=S(VW)=S

于是根据定义13.4.1我们知道S是不连通的,这导出了矛盾。从而反证假设不成立,{yX:yx}只能是连通的。

然后我们证明对任意xX,集合{yX:yx}都是闭的。

仍然使用反证,我们假设{yX:yx}不是闭的,于是存在x0{yX:yx}的附着点且x0{yX:yx}(这表明x0x为假)。由于对任意集合闭包都是包含原集合的(命题12.2.15(h)),因此应该有x属于{yX:yx}的闭包;此外,根据闭包定义闭包包含了原集合的任意附着点,于是x0也属于{yX:yx}的闭包;最后根据习题13.4.8,由于{yX:yx}是连通的,我们有{yX:yx}的闭包也是连通的。于是综合上面的内容即有:

存在X的连通子集({yX:yx}的闭包)包含x0x

根据的定义,于是即有x0xx0{yX:yx},这与反证假设矛盾。于是反证假设不成立,只能有{yX:yx}是闭的。

综上,于是我们得证了的等价类都是连通的闭集。

13.4.10 结合命题13.3.2和推论13.4.7,推导出关于紧致连通区域上的连续函数的定理,它推广了推论9.7.4

我们先给出这个结论,然后再给出证明:

紧致连通区域上的连续函数的定理:设(X,d)是一个度量空间,EX的一个紧致连通子集,并设f:ERE上的连续函数。我们令M:=supx[a,b]f(x)m:=infx[a,b]f(x)分别是f的最大值与最小值,并且设y是介于mM之间的一个实数。那么存在至少一个cE使得f(c)=y,更进一步地,我们有f(E)=[m,M]

下面是证明:

首先由于E是紧致的并且f是连续的,因此根据命题13.3.2我们知道f在某点xmaxE处达到最大值(也即f(xmax)=M),在某某点xminE处达到最大值(也即f(xmin)=m);然后由于E是连通的并且f是连续的,根据推论13.4.7,对任意y[m,M]都存在至少一个cE使得f(c)=y。因此,我们可以总结得到:

对任意y[m,M]都存在cE使得f(c)=y,于是对任意y[m,M]都有yf(E);对任意cE由于MfE上的最大值且mfE上的最小值,于是对任意f(c)f(E)都有mf(c)Mf(c)[m,M]

综上即有f(E)[m,M][m,M]f(E)f(E)=[m,M]

于是我们证明了我们的结论。


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实分析 9.1 实直线的子集

实分析 9.7 介值定理

实分析 11.1 划分

实分析 13.1 连续函数

实分析 13.3 连续性与紧致性