有限覆蓋定理和實數連續性有什麼關係?

時間 2021-06-21 14:25:00

1樓:Leonhard

你的感覺沒錯,確實容易產生這樣的感覺。因為緊緻性(簡稱緊性)的定義本身是與實數連續性沒什麼關係的(我更願意稱這裡的「連續性」為完備性,因為我總感覺連續性是用來描述對映的,完備性更科學一點)。

首先,什麼是緊性?就是任意開覆蓋都有有限子覆蓋。怎麼理解呢?

實際上,緊性就意味著一種「有限性」。它彷彿條條框框的約束,把乙個集合的性質約束得很「有限」,這就是緊。具體來說,就是:

緊集必是有界閉集。也即,如果乙個集合是緊的,那麼首先它不能無界,其次不能開。無界和開有一種共性:

沒有邊界(boundary),也就是沒有了「緊」的束縛。反例當然很容易舉,隨處可查。通過閱讀反例你大概可以更理解到我的意思,也可以明白為什麼這樣定義緊性。

那麼,這又與實數的完備性有什麼關係呢?實數的完備性指出的是,在實數集中,有界閉集都是緊的,結合上述文字,也即這二者等價。僅以 為例,我們來回想一下這個定理的證明過程,大致是這樣的:

利用反證法,對乙個有界閉區間,將其無限細分,且每次都存在細分的區間都不能被有限開集覆蓋(否則矛盾),最終由閉區間套定理得到乙個聚點,它的開鄰域可以覆蓋無限細分的那個區間,矛盾。這裡哪用到了完備性呢?閉區間套定理。

怎樣直觀理解這個證明的想法?實際上我們可以倒過來看。乙個孤立點當然是緊的,可以說它的一切都被限制(約束)了。

由於實數的完備性,每個孤立點之間沒有「空隙」,因此,它們可以共有這種緊性,也就是說,可以把這種緊性「連起來」,從而整體上也表現出緊性。反之,若我們考慮不完備的空間,那麼在「連線」的過程中就會出現連線處「連不上了」的情形,也就是連線處沒有邊界,從而破壞了約束(緊性)。這在證明中就體現為,每個有界閉區間都可以化歸到它的乙個聚點上去處理,如果全空間不完備,恐怕就不能如此操作了。

簡言之, 的完備性保證了緊性的「不變性」。反過來也成立,可以想一想如何用有限覆蓋定理去證明其他的完備性定理。

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