13.4 连续性与连通性
定义
(13.4.1 连通空间)设
是一个度量空间,我们称 是不连通的,当且仅当存在不相交的非空开集 和 使得 ;我们称 是连通的,当且仅当 是非空的且不是不连通的。 (注:这个定义换一种说法即:
是不连通的,当且仅当 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 与 都是关于 相对开的,作为一个例子,考虑具有标准度量的集合 ,这个空间是不连通的,因为 和 是 中的开集) (13.4.3 连通空间)设
是一个度量空间,并设 是 的子集。我们称 是连通的,当且仅当度量空间 是连通的;我们称 是不连通的,当且仅当度量空间 是不连通的。 (注:很显然这个定义是内在的,它只与
上的度量相关而与环绕空间 无关)
命题
(13.4.5 实直线上的连通集?)设
是实直线 的子集,那么下述命题是等价的: 是连通的。 - 只要
, 且 ,那么区间 就包含在 中。 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)
(13.4.6 连续性保持连通性)设
是从度量空间 到度量空间 的连续映射,并设 是 的任意一个连通子集。那么 也是连通的。 (13.4.7 介值定理)设
是从度量空间 到实直线 的连续映射,设 是 的任意一个连通子集, 、 是 中任意两个元素,并设 是介于 和 之间的实数。那么存在 使得 。 (注:这是对定理9.7.1的推广)
课后习题
13.4.1 设 是具有离散度量的度量空间,设 是 的子集,并且 中至少包含两个元素。证明: 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
至少存在两个元素,若设有 是 中元素,则 是非空的,于是 可以表示为 ,这两个集合满足不相交,非空且都是开集。于是根据定义13.4.1 不是连通的。
13.4.2 设 是从度量空间 到度量空间 的函数,其中 是连通的空间, 具有离散度量。证明: 是连续的,当且仅当 是常数函数(提示:利用习题13.4.1)
分别证明充分必要性:
若
是常数函数则对任意的 是 中依度量 收敛于某个点 的序列,序列 是一个常数序列必然收敛于 (对任意 都有 ),从而根据命题13.1.5我们有 是连续的。 反过来,如果
是连续的,那么由于 是连通的,结合定理13.4.6于是 也应该是连通的。由于 是一个函数因此 不可能为空;又由于我们在习题13.4.1中讨论的, 是连通的则它不可能包含超过两个元素。综合即有 是一个单元素集,若设有 ,则根据象的定义即: 于是
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
, 满足 都有区间 就包含在 中。由于 是 的子集,根据上下确界的定义(5.5节)知道它的上确界 和下确界 都必然存在,我们证明 是一个形如 , , 或 的区间。为了证明这一点,我们只需要证明 且 ,这样 的形式只与 , 是否属于 有关,而 始终是一个区间。 首先根据命题6.2.11我们知道对任意
都有 ,于是 得证;另一方面,对任意 ,由于 ,从而 不可能是 的上界(命题6.2.11),因此必然存在一个 使得 ;同时 表明 不可能是 的下界,因此必然存在一个 使得 。然后使用前设我们知道 ,从而必然有 。于是 也得证。 于是综上我们有
肯定是形如 , , 或 的区间。 反过来,若
是一个区间,则我们以 为形如 的区间为例子,其它区间也是类似:此时对任意 , 且 都有: 于是对任意
,我们都有: 即有
,于是区间 是包含于 的,对形如 , , 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
不是连通的,那么存在 中的两个非空不相交开集 , 使得 。于是根据定理13.1.5(c)即有 与 都是开集。此时注意到对任意 ,我们都有 或 ,于是 要么属于 要么属于 。 于是使用命题12.3.4,我们知道
与 也是开的,然后在上面的讨论中我们知道 与 是不相交且非空的(由于 , 非空因此至少分别存在 , 使得 与 为真),并且根据布尔代数有: 于是根据不连通的定义有
是不连通的,这和定理13.4.6中 是连通的”的前提矛盾。 综上,于是只能有
是连通的。
13.4.5 利用定理13.4.6证明推论13.4.7
的话则 可以直接取 或 ,结论显然是成立的。我们只考虑 的情况。 根据定理13.4.6,由于
是连通的我们知道 也是连通的。进而由于 是实直线的子集,使用命题13.4.5我们知道区间 (这里不失一般性地假定 )是包含于 ,因此 也必然有 。从而根据象的定义,我们知道必然存在一个 使得 。 综上,于是推论13.4.7得证。
13.4.6 设 是一个度量空间, 是 中的一簇连通集,并设 是非空的。证明: 是连通的
使用反证法,我们假设
是不连通的,于是存在 中非空且不相交的两个开集 与 使得 。然后注意到如果存在某个 使得 与 都是非空的(这两个不可能同时为空,不然就会导出 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: 这会导出
是不连通的,与我们的题设相悖,从而对任意的 , 与 中恰好有一个为空,换言之即 要么包含于 要么包含于 。然后注意到若存在两个 , 使得 且 ,则由于 和 是不相交的于是 ,这与题设中 非空的前提矛盾,从而对全体 只能有 同时包含于 或者同时包含于 。 但是注意到若对任意的
都有 则会导出 ,结合 是 的子集于是即有 ;“对任意的 都有 ”的情况我们也可以类似推出 是空集,这和 与 都非空的反证假设矛盾,反证假设不成立。 综上,于是
只能是是连通的。
13.4.7 设 是一个度量空间,并设 是 的子集。我们称 是道路连通的,当且仅当对于任意的 , ,存在一个从单位区间 到 的连续函数 使得 , 。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
中的道路连通集 ,我们不妨假设它不是连通的,从而根据定义13.4.1存在 中的两个不相交的非空开集 , 使得 。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 与 ,然后根据道路连通集的定义,存在一个 到 的连续函数 使得 , 。 由于
是一个区间,根据命题13.4.5我们知道 是连通的,从而根据命题13.4.6我们知道 也是连通的,并且注意到 和 都属于象 。又由 和 是 中的开集,且 是 的子集,根据命题12.3.4可以知道 和 都是 中的开集。并且注意到两者显然是不相交且非空的( , ),然后有: 于是根据定义13.4.1我们知道
是不连通的,这与 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 是一个度量空间,并设 是 的子集。证明:如果 是连通的,那么 的闭包 也是连通的,并解释逆命题是否成立
不妨使用反证,假设
不是连通的,于是存在两个 中的非空不相交开集 , 使得 。由于 是开集,于是对任意 都存在一个 使得球 ;又由于闭包的性质 应该是 的附着点,从而 与 的交集是非空的。从而我们得到 和 的交集 是非空的,类似地我们也可以证明 与 的交集 也是非空的。 然后根据命题12.3.4,
和 是 中的开集,由于 , 不相交因此显然 和 是不相交的。并且由布尔代数我们有: 然后根据命题12.2.15(h)我们知道有
,于是 。总结下上面得到的内容即有: 存在
中的两个非空不相交开集 和 使得 。 于是根据定义13.4.1,我们有
是不连通的,这和题设中 是连通的前提矛盾。 综上,于是只能有
也是连通的。 关于逆命题,显然是不成立的,考虑
中的集合 ,它显然是集合 的闭包,但是 是不连通的( 和 都是 中的开集且两者不相交)。
13.4.9 设 是一个度量空间,我们定义一个 上的关系 :我们称 ,当且仅当在 中存在一个同时包含 和 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 的集合,其中 )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 的连通分支
证明:
是一种等价关系。 于是要证明:
满足自反性公理:对任意 我们都有 。 显然单元素集
肯定是 中连通的子集(凑不出两个不相交的非空开集),因此对任意 根据上面的定义总有 为真。
满足对称性公理:对任意 , ,若有 ,则有 。
当且仅当存在 的包含 与 的连通子集,这也表明 (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 , 与 ,若有 且 ,则有 。
表明 中存在一个包含 与 的连通子集 ; 表明 中存在一个包含 与 的连通子集 。注意到 是 与 的都包含的元素,因此 必然是非空的。于是此时我们令有 ,显然有 是包含了 与 的 的子集,并且根据习题13.4.6由于 非空因此 是连通的。 于是综合即存在
的连通子集 包含 与 ,从而根据定义即有 。 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
,集合 都是连通的。 使用反证,我们假设
是不连通的,于是存在两个非空且不相交的开集 , 使得 。于是我们设有 与 ,然后由于 满足传递性公理,于是我们可以从 与 推知 ,即存在一个 中的连通子集 包含 和 。 然后对任意的
,由于 且 是连通的,于是根据 的定义也有 ,也即 包含了 。于是根据命题12.3.4我们知道 与 也是开集;并且由于 与 我们知道这两个集合是非空的;由于 , 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: 于是根据定义13.4.1我们知道
是不连通的,这导出了矛盾。从而反证假设不成立, 只能是连通的。 然后我们证明对任意
,集合 都是闭的。 仍然使用反证,我们假设
不是闭的,于是存在 是 的附着点且 (这表明 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 属于 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 也属于 的闭包;最后根据习题13.4.8,由于 是连通的,我们有 的闭包也是连通的。于是综合上面的内容即有: 存在
的连通子集( 的闭包)包含 和 。 根据
的定义,于是即有 ,这与反证假设矛盾。于是反证假设不成立,只能有 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
是一个度量空间, 是 的一个紧致连通子集,并设 是 上的连续函数。我们令 与 分别是 的最大值与最小值,并且设 是介于 与 之间的一个实数。那么存在至少一个 使得 ,更进一步地,我们有 。 下面是证明:
首先由于
是紧致的并且 是连续的,因此根据命题13.3.2我们知道 在某点 处达到最大值(也即 ),在某某点 处达到最大值(也即 );然后由于 是连通的并且 是连续的,根据推论13.4.7,对任意 都存在至少一个 使得 。因此,我们可以总结得到: 对任意
都存在 使得 ,于是对任意 都有 ;对任意 由于 是 在 上的最大值且 是 在 上的最小值,于是对任意 都有 。 综上即有
且 。 于是我们证明了我们的结论。