緊緻集(Compact set)

  • 緊緻集是近代分析數學中最重要的概念之一。

  • 在微積分的課程中,我們已知定理「定義域是 R \mathbb{R} 中有限閉區間的連續函數必是有界函數」,而能夠有如此好的結果,必是有其特殊性質。首先我們先觀察其中部份現象。

  • 令 f:A→R f: A \rightarrow \mathbb{R} 為一連續函數, A A 為一區間。當要討論 f f 是否有為界函數時,必須在區間 A A 中的每個點附近討論。
    • ∀c∈A \forall c \in A ,若 f f 在 c c 連續,則 ∃δc>0∋∣f(x)−f(c)∣≤1,∀x∈A,∣x−c∣≤δc \exists \delta_c > 0 \ni | f(x) - f(c) | \le 1, \forall x \in A, |x- c| \le \delta_c 。
    • Let Uc={x∈R∣∣x−c∣≤δc}, Bc=1+∣f(c)∣ U_c = \lbrace x \in \mathbb{R} | |x-c| \le \delta_c \rbrace, \ B_c = 1 + |f(c)| 。
    • 上式表示 ∀c∈A \forall c \in A ,必可找到 c c 的開鄰域 Uc U_c 使得 f f 在 Uc∩A U_c \cap A 上有界。
    • 此種表示法表示的意義是原始問題為「 f f 在整個定義域 A A 是否有界」?,這樣的全域問題,可以在每個點 c c 的鄰域 Uc U_c 上找到局部的解。
    • 即由集合 A A 引出一集合族 {Uc∣c∈A} \lbrace U_c | c \in A \rbrace ,且此集合族滿足 A⊂∪{Uc∣c∈A} A \subset \cup \lbrace U_c | c \in A \rbrace ,此種現象稱為覆蓋(covering)。

覆蓋(Covering)

    • 定義:覆蓋
    • 令 S⊂Rk S \subset \mathbb{R}^k ,若由 Rk \mathbb{R}^k 的子集所形成集合族 {Cα∣α∈I} \lbrace C_\alpha | \alpha \in I \rbrace 的聯集包含集合 S S 即
    • S⊂∪{Cα∣α∈I} S \subset \cup \lbrace C_\alpha | \alpha \in I \rbrace
    • 則稱集合族 {Cα∣α∈I} \lbrace C_\alpha | \alpha \in I \rbrace 為集合 S S 的一個覆蓋。
    • 定義:子覆蓋(subcovering)
    • 若集合族 {Cα∣α∈I} \lbrace C_\alpha | \alpha \in I \rbrace 是集合 S S 的一個覆蓋,而 J⊂I J \subset I
    • 且 {Cα∣α∈J} \lbrace C_\alpha | \alpha \in J \rbrace 也是集合 S S 的覆蓋,則稱其為 {Cα∣α∈I} \lbrace C_\alpha | \alpha \in I \rbrace 的一個子覆蓋。
    • 定義:開覆蓋(open convering)
    • 若集合族 Uα∣α∈I U_\alpha | \alpha \in I 是集合 S S 的一個覆蓋,且其中每個 Uα U_\alpha 都是 Rk \mathbb{R}^k 的開集合,則 {Uα∣α∈I} \lbrace U_\alpha | \alpha \in I \rbrace 稱為集合 S S 的一個開覆蓋。
    • E.g. {(x,x+2)⊂R∣x∈R} \lbrace (x, x+2) \subset \mathbb{R} | x\in \mathbb{R} \rbrace 是實數的一個開覆蓋。
    • E.g. {(n,n+2)⊂R∣n∈Z} \lbrace (n, n+2) \subset \mathbb{R} | n \in \mathbb{Z} \rbrace 是實數的一個可數子覆蓋,且沒有有限的子覆蓋。
    • Corollary: 有理點為中心、有理數為半徑的開球
    • 令 G={A1,A2,⋯} G= \{ A_1, A_2, \cdots\} 為可數個半徑與圓心均為有理數 k k 維球所形成的集合族。
    • SRk S \mathbb{R}^k 為非空開集合且x∈S x \in S 。
    • 則存在至少一個在 G G 中的球包含 x x 且包含於 S S ,即 x∈Ak⊆S x \in A_k \subseteq S for some Ak∈G A_k \in G .
    • Proof:
    • 因為 G G 可視為有理數的集合(球心與半徑均為有理數),且可數集合的聯集仍為可數,因此 G G 為可數集合。
    • ∵x∈S⊂Rk \because x \in S \subset \mathbb{R}^k ,且 S S 為開集合, ∴∀r>0,Br(x)⊆S \therefore \forall r > 0, B_{r}(x) \subseteq S .
    • 因此在 S S 中必定存在非常靠近 x x 的點 y y ,且 y∈Br(x) y \in B_{r}(x) .
    • 因為 x=(x1,x2,⋯,xk), y=(y1,y2,⋯,yk) x = (x_1, x_2, \cdots, x_k),\ y=(y_1, y_2, \cdots, y_k) ,因此 yi∈Q∋∣yi−xi∣≤r/(4k), foralli=1,2,⋯,k y_i \in \mathbb{Q} \ni | y_i - x_i| \le r/(4k),\ forall i=1,2,\cdots, k .
    • 可得 ∥y−x∥≤∣y1−x1∣+∣y2−x2∣+⋯∣yk−xk∣≤r/4 \Vert y-x \Vert \leq | y_1 - x_1| + |y_2 - x_2| + \cdots |y_k - x_k| \le r/4 .
    • 令 q∈Q. r/4≤q≤r/2 q \in \mathbb{Q}. \ r/4 \le q \le r/2 ,則 x∈Bq(y)⊆Br(x)⊆S x \in B_{q}(y) \subseteq B_r(x) \subseteq S , 但 Bq(y)∈G B_q(y) \in G (QED).
Corollary: rational ball.
    • Theorem:Lindelof 覆蓋定理
    • ∀S⊂Rk\forall S \subset \mathbb{R}^k , S S 的每個開覆蓋都有一個可數的子覆蓋。
    • Proof:
    • 令 {Uα∣α∈I} \lbrace U_\alpha | \alpha \in I \rbrace 是集合 S S 的開覆蓋。
    • 即 S⊂∪α∈IUα S \subset \cup_{\alpha \in I} U_\alpha ,我們將證明其有一個可數的子覆蓋。
    • 因為以有理點為中心,半徑為有理數的所有開球構成一可數族,記為 {Br(y)⊂R∣y∈Qk,r∈Q+}={Bn∣n∈N} \lbrace B_r(y) \subset \mathbb{R} | y \in \mathbb{Q}^k, r \in \mathbb{Q}^{+} \rbrace = \lbrace B_n | n \in \mathbb{N} \rbrace 。
    • 令 M={n∈N∣∃α, Bn⊂Uα} M = \lbrace n \in \mathbb{N} | \exists \alpha, \ B_n \subset U_\alpha \rbrace ,則 M M 為可數集合。
    • ∵S⊂∪α∈IUα ∴∀x∈S ∃α∈I∋x∈Uα \because S \subset \cup_{\alpha \in I} U_\alpha \ \therefore \forall x \in S \ \exists \alpha \in I \ni x \in U_\alpha .
    • 根據前一個引理, ∃m∈N∋x∈Bm⊂Uα \exists m \in \mathbb{N} \ni x \in B_m \subset U_\alpha ,而依 M M 的定義可知 m∈M m \in M .
    • 因此 S⊂∪{Bn∣n∈M} S \subset \cup \lbrace B_n | n \in M \rbrace 。
    • ∀n∈M,∃α∈I∋Bn⊂Uα \forall n \in M, \exists \alpha \in I \ni B_n \subset U_\alpha,所以可選出 α(n)∈I∋Bn⊂∪Uα(n) \alpha(n) \in I \ni B_n \subset \cup U_{\alpha(n)} .
    • 因為 M M 為可數集,所以 {α(n)∈I∣n∈M} \lbrace \alpha(n) \in I | n \in M \rbrace 是 I I 的可數子集。
    • 而且由 S⊂∪{Bn∣n∈M} S \subset \cup \lbrace B_n | n \in M \rbrace 可得 S⊂{∪Uα(n)∣n∈M} S \subset \lbrace \cup U_{\alpha(n)} | n \in M \rbrace 。
    • 即 {Uα(n)∣n∈M} \lbrace U_{\alpha(n)} | n \in M \rbrace 是 S S 的開覆蓋 {Uα∣α∈I} \lbrace U_\alpha | \alpha \in I \rbrace 的一個可數子覆蓋。(QED).
  • 由此定理可知 Rk \mathbb{R}^k 中的每個子集之每個開覆蓋均有可數的子覆蓋,但是可數不一定為有限,以下定理給出了那些子集的每個開覆蓋不存在有限的子覆蓋。

    • 定理 :Heine-Borel定理
    • ∀S⊂Rk \forall S \subset \mathbb{R}^k 為有界的閉集合,則 S S 的每個開覆蓋都有一個有限子覆蓋。
    • Note: 此定理與實數系的完備性等價。
    • Proof:
      • 令 S⊂{Uα∣α} S \subset \lbrace U_\alpha | \alpha \rbrace 為開覆蓋,依Lindelof定理必存在可數子覆蓋 {Uα(n)∣n∈N} \lbrace U_\alpha(n) | n \in \mathbb{N} \rbrace。
      • 我們要證明 ∃m∈N∋S⊂∪n=1,2,⋯,mUα(n) \exists m \in \mathbb{N} \ni S \subset \cup_{n=1,2,\cdots,m} U_{\alpha(n)} ,其為 {Uα∣α∈I} \lbrace U_\alpha | \alpha \in I \rbrace 的一個有限可數子覆蓋。
      • (反證法):假設滿足上述條件的正整數 m m 不存在,即 ∀n∈N,S⊈Uα(1)∪Uα(2)∪⋯∪Iα(n) \forall n \in \mathbb{N}, S \nsubseteq U_{\alpha(1)} \cup U_{\alpha(2)} \cup \cdots \cup I_{\alpha(n)} .
      • 令 Fn=S∩(Rk−Uα(1)∪Uα(2)∪⋯∪Uα(n)) F_n = S \cap \left( \mathbb{R}^k - U_{\alpha(1)} \cup U_{\alpha(2)} \cup \cdots \cup U_{\alpha(n)} \right) , 則定義 Fn F_n 為 Rk \mathbb{R}^k 中的一個非空有界閉集合。
      • 且 Fn F_n 為遞減序列,即 F1⊃F2⊃⋯⊃Fn⊃⋯ F_1 \supset F_2 \supset \cdots \supset F_n \supset \cdots .
      • 我們將證明全體 Fn F_n 的交集不是空集合,即 ∃x0∈Rk∋∀n,x0∈Fn \exists x_0 \in \mathbb{R}^k \ni \forall n, x_0 \in F_n .
      • 令xn∈Fn, ∀n∈N x_n \in F_n, \ \forall n \in \mathbb{N} ,且 A={xn∣n∈N} A = \lbrace x_n | n \in \mathbb{N} \rbrace .
      • 因為 A A 為有界集合 S S 的子集合,所以 A A 為有界集合。
      • case 1: 若 A A 為有限集。
      • 存在 {n1≤n2≤⋯nl⋯}⊂N∋xn1=xn2=⋯=xnl=x0 \lbrace n_1 \le n_2 \le \cdots n_l \cdots \rbrace \subset \mathbb{N} \ni x_{n_1} = x_{n_2} = \cdots =x_{n_l} = x_0 .
      • 因為 ∀n∈N,liml→∞nl=∞ \forall n \in \mathbb{N}, \lim_{l \rightarrow \infty}n_l = \infty , 所以 ∃l∈N∋Fnl⊂Fn∀nl≥n \exists l \in \mathbb{N} \ni F_{n_l} \subset F_n \forall n_l \geq n ,即 x0=xnl∈Fnl⊂fn x_0 = x_{n_l} \in F_{n_l} \subset f_n .
      • 即 x0∈Fn∀n∈N x_0 \in F_n \forall n \in \mathbb{N} .
      • case 2: 若 A A 為無限集。
      • 依Bolzano-Weierstrass定理, A A 有一個聚集點 x0 x_0 。
      • ∵A⊂F1 \because A \subset F_1 且 F1 F_1 為閉集合,所以 x0∈F1 x_0 \in F_1 .
      • 因為 ∀n∈N \forall n \in \mathbb{N} , x0 x_0 的每個鄰域 N N 都與 A A 有無窮多個交點,所以 N∩A−{x1,x2,⋯,xn} N \cap A - \lbrace x_1,x_2,\cdots, x_n \rbrace 有無窮多個交點,因此 x0 x_0 是 A−{x1,x2,⋯,xn} A - \lbrace x_1, x_2, \cdots ,x_n \rbrace 的聚集點。
      • 再由 A−{x1,x2,⋯,xn}⊂Fn+1 A - \lbrace x_1, x_2, \cdots, x_n \rbrace \subset F_{n+1} 可知 x0 x_0 也是 Fn+1 F_{n+1} 的聚集點。
      • 又因為 Fn+1 F_{n+1} 為閉集合,所以 x0∈Fn+1 x_0 \in F_{n+1} 。
      • 根據數學歸納法, x0∈Fn,∀n∈N x_0 \in F_n, \forall n \in \mathbb{N} .
      • 因為 x0 x_0 屬於每個 Fn F_n ,所以 x0∈S x_0 \in S 而且 x0 x_0 不屬於每個 Uα(n) U_{\alpha(n)} ,這表示 x0∈S x_0 \in S 且 x0⊈∪{Uα(n)∣n∈N} x_0 \nsubseteq \cup \lbrace U_{\alpha(n)} | n \in \mathbb{N} \rbrace 與假設矛盾。(QED).
  • 在此定理中,使用了Bolzano-Weierstrass定理證明了Heine-Borel定理。此外,利用 K=1 K=1 的Heine-Borel定理可以證明區間套定理,可見Heine-Borel定理與實數系的完備性等價。

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