Доказательство. 1).Пусть Х – объединение конечного числа замкнутых множеств . Если а – какая-либо предельная точка множества Х , то она должна быть также предельной точкой, по крайней мере, одного из множеств объединения. В самом деле, если а не является предельной точкой ни ни ..., ни , то это означает по определению предельной точки, что существует окрестность , в которой нет ни одной точки множества существует окрестность , в которой нет ни одной точки множества ..., существует окрестность , в которой нет ни одной точки множества . Пусть является пересечением окрестностей , , ..., . Ясно, что есть окрестность точки а (почему?), в которой нет ни одной точки ни ни ..., ни , а, следовательно, ни одной точки объединения Х исходных множеств, т.е. точка а не является предельной точкой множества Х, что противоречит предположению. Значит, точка а является предельной точкой, например множества . Так как замкнуто, то , а, следовательно, , т.е. Х – замкнутое множество.

2) Если точка а есть некоторая предельная точка пересечения любого семейства замкнутых множеств, то она является предельной точкой каждого из этих множеств (почему?). Так как каждое из множеств замкнуто, то она принадлежит ему, а, следовательно, и пересечению указанных множеств.Отсюда заключаем, что и пересечение – замкнутое множество.

Заметим, что объединение бесконечного семейства замкнутых множеств может и не быть замкнутым множеством.

Действительно, множество {x}, где х – рациональное число, является замкнутым как конечное множество, а множество всех рациональных чисел Q , где Q, не явл яется замкнутым множеством.

Точка называется изолированной точкой множества Х, если существует окрестность О(а) этой точки, не содержащая иных точек из Х, кроме точки а.

Так все точки множества {0, 1, 2} являются изолированными точками этого множества (докажите!).

Точка а называется граничной точкой множества Х, если в любой ее окрестности содержатся как точки, принадлежащие множеству Х, так и точки ему не принадлежащие. Множество всех граничных точек множества Х называется его границейи обозначается .

Заметим, что граничная точка множества Х может быть либо изолированной точкой этого множества, если в некоторой окрестности ее содержится лишь одна точка а этого множества Х, либо предельной, если в любой окрестности этой точки есть точки множества Х, отличные от а .

Так, граничными точками отрезка являются его концы (докажите!), которые одновременно являются его предельными точками. Граница отрезка , т.е. граница принадлежит самому множеству. Для множества (0, 1) граничными точками будут точки 0 и 1, однако здесь граница , т.е. граница не принадлежит самому множеству.

Значит, граничные точки могут как принадлежать множеству так и не принадлежатьему. Можно доказать, чтомножество замкнуто тогда и только тогда, когда оно содержит свою границу.

Всякое ограниченное замкнутое множество называется компактным множеством (или компактом). Например, отрезок – компактное множество. Любое конечное множество также является компактом . Компактные множества играют важную роль в математическом анализе и других науках.

Вопросы и задания для самопроверки.

1. Дайте определение окрестности точки. Приведите примеры окрестностей.

2. Докажите, что в любой окрестности О(а) точки а содержится симметричная -окрестность , и наоборот. Приведите конкретные примеры.

3. Дайте определение внутренней точки множества и открытого множества. Приведите примеры открытых множеств.

4. Докажите, что интервал (a, b) – открытое множество.

5. Докажите, что объединение любого семейства открытых множеств – открытое множество. Приведите примеры.

6. Докажите, что пересечение конечного числа открытых множеств – открытое множество. Приведите примеры.

7. Может ли быть открытым пересечение бесконечного семейства открытых множеств? Приведите примеры.

8. Что такое предельная точка множества?

9. Всегда ли предельная точка множества принадлежит множеству? Приведите примеры.

10. Докажите, что множество {0, 1, 3} не имеет предельных точек. Имеет ли оно внутренние точки?

11. Докажите, что каждая точка отрезка является предельной точкой этого можества.

12. Докажите, что точки a и b интервала (a, b) являются предельными точками этого множества.

13. Докажите, что в любой проколотой окрестности предельной точки а множества Х содержится бесконечно много различных точек данного множества.

14. Дайте определение замкнутого множества. Приведите примеры.

15. Может ли быть замкнутым открытое множество?

16. Приведите примеры открытых ограниченных и неограниченных множеств.

17. Может ли быть замкнутым неограниченное множество? Приведите примеры.

18. Докажите, что объединение двух замкнутых множеств – замкнутое множество. Приведите примеры.

19. Докажите, что пересечение любого семейства замкнутых множеств – замкнутое множество.

20. Приведите пример объединения бесконечного семейства замкнутых множеств, которое не является замкнутым множеством.

21. Дайте определение граничной точки множества. Всегда ли граничная точка множества принадлежит этому множеству?

22. Докажите, что множество замкнуто тогда и только тогда, когда оно содержит свою границу.

23. Какое множество называется компактным? Приведите примеры компактных и некомпактных множеств.

Типы множеств вещественной прямой

Положение точки относительно множества A

Односторонние окрестности

Топология вещественной прямой

Числовые множества

Основные множества чисел это отрезок и интервал (a; b).

Числовое множество A называется ограниченным сверху , если существует такое число M, что a £ M для любого a Î A. Число M в этом случае называется верхней гранью или мажорантой множества.

Супремумом множества A, sup A называется …

… наименьшая из его мажорант;

… число M такое, что a £ M для любого a Î A и в любой окрестности M есть элемент множества A;

Аналогично вводятся понятия «ограниченное снизу », «миноранта » (нижняя грань), и «инфимум » (точная нижняя грань).

Полнота вещественной прямой (равносильные формулировки)

1. Свойство вложенных отрезков. Пусть заданы отрезки É É … É É … Они имеют хотя бы одну общую точку. Если длины отрезков можно выбрать сколь угодно малыми, то такая точка единственна.

Следствие: метод дихотомии для теорем существования . Пусть задан отрезок . Делим его пополам и выбираем одну из половин (так, чтобы она обладала нужным свойством). Эту половину обозначим через . Продолжаем этот процесс неограниченно. Получим систему вложенных отрезков, длины которых приближаются к 0. Значит, они имеют ровно одну общую точку. Осталось доказать, что она и будет искомой.

2. Для любого непустого ограниченного сверху множества существует супремум.

3. Для любых двух непустых множеств, одно из которых лежит левее другого, существует разделяющая их точка (существование сечений).

Окрестности:

U(x) = (a, b), a < x < b; Ue(x) = (x – e; x + e), e > 0;

U(¥) = (–¥; a) U (b; ¥), Ue(¥) = (–¥; –e) U (e; +¥), e > 0;

U(+¥) = (e; +¥); U(–¥) = (–¥; –e).

Проколотые окрестности:

Ǔ(x) = (a, x) U (x, b) = U(x) \ {x}; Ǔe(x) = (x – e; x) U (x; x + e) = Ue(x) \ {x}

Ue–(x) = (x – e; x], e > 0; Ue+(x) = с чебышёвской метрикой сходилась к элементу х этого м.пр., необходимо и достаточно, чтобы функциональная последовательность (x n ) равномерно сходилась к х на [a , b ].

Докажем с помощью критерия равномерной сходимости.

Известно, что фукциональная последовательность (x n ) равномерно сходится да предельной фукции х тогда и только тогда, когда

С учётом определения метрики в м.пр. С [a , b ] получаем равенство

(см. опр. 4 §7)
по метрике  в м.пр. С [a , b ]. 

Пример 2. x n (t ) = t n  t  ;  n  N . известно, что на ;/2 фукциональная последовательность x n (t ) = t n равномерно сходится да предельной фукции x (t ) = 0. Таким образом  t  ; последовательность (x n ) сходится к функции х = 0 в м.пр. С .

Теорема 4. Если а – предельная точка множества Е метрического пространства (X ,  ), то существует последовательность (x n ), члены которой принадлежат Е и не равны а , причём (x n ), сходится к а в этом метрическом пространстве.

Доказатьельство аналагично доказатьельству в пространстве R .

Замечание 1. Поскольку любая норма задает метрику,

 о (x , y ) =

то в нормированном пространстве А также можно определить предел последовательности элементов нормированного пространства.

Замечание 2. Поскольку предгильбертовое пространство является нормированным пространством с нормой
, то в предгильбертовом пространстве также можно определить предел последовательности элементов предгильбертового пространства.

§9. Полные метрические пространства

Определение 1 . Последовательность (x n ) метрического пространства (Х,  ) называется фундаментальной, если

Примером фундаментальной последовательности является любая сходящаяся последовательность точек метрического пространства.

В пространствеR любая фундаментальная последовательность – сходящаяся. Но для любого м.пр. не всякая фундаментальная последовательность метрического пространства (Х,  ) сходится в этом пространстве.

Пример 1 . В м.пр. Х = (Q ;  = х  у ) последовательность – фундаментальная, но с 1 курса известно, что но е  X (е  I ).

Определение 2 . Метрическое пространство называется полным метрическим пространством , если любая фундаментальная последовательность точек этого пространства сходится в нем.

Пример 2 . Метрическое пространство R – полное метрическое пространство, т.к. любая фундаментальная последовательность сходится к числу, из пространства R . Это следует из критерия Коши (см. 1 курс).

Пример 3 . Докажем, что пространство R m - полное метрическое пространство.

Пусть последовательность(x n = x 1 (n ) , x 2 (n ) ,…, x m (n )) (1)

любая фундаментальная последовательность пространстваR m . Покажем, что эта последовательность сходящаяся и её предел принадлежит пространству R m .

Па определению фундаментальной последовательности и определению метрики в пространствеR m

0  N( ) N  p,n >N   (x p ,x n ) 

Согласно доказатьельству теоремы 1 §8 Таким образом, была доказана фундаментальност числовых последовательностей (x 1 ( n ) ), (x 2 ( n ) ),…, (x m ( n ) ), а значит и их сходимость (по критерию Коши).

Пусть

Рассмотрим точку а = (а 1 , а 2 , …, а m ). Т.к. а 1 , а 2 , …, а m  R , то а  R m . По теореме 1 §8 получаем, что в м.пр. R m последовательность (x n ) сходится к а  R m . Это означает, что пространствоR m полное метрическое пространство. 

Пример 4 . Докажем, что метрическое пространство С [a , b ] является полным.

Пусть (x n ) – любая фундаментальная последовательность в м.пр. С [a , b ] , её члены – непрерывные на [a , b ] фукции.

Докажем, что последовательность (x n ) сходится в метрическом пространстве С [ a , b ] . Сначала покажем, что она сходится к предельной фукции х на отрезке [a , b ].

По определению фундаментальной последовательности

Это означает, что  t  [a , b ] (фиксируем t ) фундаментальной является числовая последовательность (x n (t ) ). Значит она имеет предел, который обозначим через
для каждого фиксированного t  [a , b ].

Покажем, что предельная фукция x (t ) непрерывная на [a , b ]. Для этого в неравенстве (2) §прейдём к пределу при m  . Получим

 x (t ) x n (t )   n>N  t  [a,b ].

Таким образом, мы доказали, что

0N N m,n > N  x (t ) x n (t )   t  [a,b ].

А это значит, что последовательность (x n ) равномерно сходится к фукции х на [a , b ]. Т.к. все члены последовательности (x n ) непрерывные на [a , b ] фукции, то предельная фукция также непрерывная на этом отрезке, т.е является элементом метрического пространства С [ a , b ]. По теореме 2 §8 в этом пространстве последовательность (x n ) сходится к х . Значит пространствоС [ a , b ] – полное метрическое пространство. 

Определение 3. Полное нормированное пространство называется Банохав ым пространство м .

Банохавыми пространствоми, являются пространства:

R п с нормами
,
;

l 2 с нормой векторов x = (x n ) = (x 1 , x 2 , … )

C [a , b ] с нормой функций x (t )
.

А пространство C 1 [a , b ] с нормой не является баноховым.

Определение 2 . Полное предгильбертовое пространство относительно нормы (2) §3 называется гильбертовым пространством .

Примерами гильбертовых пространств являются перечисленные пространства из примеров §4. Предгильбертовое пространство из примера 3 §4 не является полным относительно нормы (2) и поэтому не является гильбертовым.

Информатики, 4 курс, 1-2 модуль) Определение метрического пространства (м.п.). Примеры . Открытые и замкнутые множества в м.п. Сходимость... линейные отображения нормированных пространств . Примеры . Нормированное пространство линейных отображений. Теорема...

Одна из основных задач теории точечных множеств - изучение свойств различных типов точечных множеств. Познакомимся с этой теорией на двух примерах и изучим свойства так называемых замкнутых и открытых множеств.

Множество называется замкнутым , если оно содержит все свои предельные точки. Если множество не имеет ни одной предельной точки, то его тоже принято считать замкнутым. Кроме своих предельных точек, замкнутое множество может также содержать изолированные точки. Множество называется открытым , если каждая его точка является для него внутренней.

Приведем примеры замкнутых и открытых множеств .

Всякий отрезок есть замкнутое множество, а всякий интервал (a, b) - открытое множество. Несобственные полуинтервалы и замкнуты , а несобственные интервалы и открыты . Вся прямая является одновременно и замкнутым и открытым множеством. Удобно считать пустое множество тоже одновременно замкнутым и открытым. Любое конечное множество точек на прямой замкнуто, так как оно не имеет предельных точек.

Множество, состоящее из точек:

замкнуто; это множество имеет единственную предельную точку x=0, которая принадлежит множеству.

Основная задача состоит в том, чтобы выяснить, как устроено произвольное замкнутое или открытое множество. Для этого нам понадобится ряд вспомогательных фактов, которые мы примем без доказательства.

• 1. Пересечение любого числа замкнутых множеств замкнуто.
• 2. Сумма любого числа открытых множеств есть открытое множество.
• 3. Если замкнутое множество ограничено сверху, то оно содержит свою верхнюю грань. Аналогично, если замкнутое множество ограничено снизу, то оно содержит свою нижнюю грань.

Пусть E - произвольное множество точек на прямой. Назовем дополнением множества E и обозначим через CE множество всех точек па прямой, не принадлежащих множеству E. Ясно, что если x есть внешняя точка для E, то она является внутренней точкой для множества CE и обратно.

4. Если множество F замкнуто, то его дополнение CF открыто и обратно.

Предложение 4 показывает, что между замкнутыми и открытыми множествами имеется весьма тесная связь: одни являются дополнениями других. В силу этого достаточно изучить одни замкнутые или одни открытые множества. Знание свойств множеств одного типа позволяет сразу выяснить свойства множеств другого типа. Например, всякое открытое множество получается путем удаления из прямой некоторого замкнутого множества.

Приступаем к изучению свойств замкнутых множеств. Введем одно определение. Пусть F - замкнутое множество. Интервал (a, b), обладающий тем свойством, что ни одна из его точек не принадлежит множеству F, а точки a и b принадлежат F, называется смежным интервалом множества F.

К числу смежных интервалов мы будем также относить несобственные интервалы или, если точка a или точка b принадлежит множеству F, а сами интервалы с F не пересекаются. Покажем, что если точка x не принадлежит замкнутому множеству F, то она принадлежит одному из его смежных интервалов.

Обозначим через часть множества F, расположенную правее точки x. Так как сама точка x не принадлежит множеству F, то можно представить в форме пересечения:

Каждое из множеств F и замкнуто. Поэтому, в силу предложения 1, множество замкнуто. Если множество пусто, то весь полуинтервал не принадлежит множеству F. Допустим теперь, что множество не пусто. Так как это множество целиком расположено на полуинтервале, то оно ограничено снизу. Обозначим через b его нижнюю грань. Согласно предложению 3, а значит. Далее, так как b есть нижняя грань множества, то полуинтервал (x, b), лежащий левее точки b, не содержит точек множества и, следовательно, не содержит точек множества F. Итак, мы построили полуинтервал (x, b), не содержащий точек множества F, причем либо, либо точка b принадлежит множеству F. Аналогично строится полуинтервал (a, x), не содержащий точек множества F, причем либо, либо. Теперь ясно, что интервал (a, b) содержит точку x и является смежным интервалом множества F. Легко видеть, что если и - два смежных интервала множества F, то эти интервалы либо совпадают, либо не пересекаются.

Из предыдущего следует, что всякое замкнутое множество на прямой получается путем удаления из прямой некоторого числа интервалов, а именно смежных интервалов множества F. Так как каждый интервал содержит по крайней мере одну рациональную точку, а всех рациональных точек на прямой - счетное множество, то легко убедиться, что число всех смежных интервалов не более чем счётно. Отсюда получаем окончательный вывод. Всякое замкнутое множество на прямой получается путем удаления из прямой не более чем счетного множества непересекающихся интервалов.

В силу предложения 4, отсюда сразу вытекает, что всякое открытое множество на прямой представляет собой не более чем счетную сумму непересекающихся интервалов. В силу предложений 1 и 2, ясно также, что всякое множество, устроенное, как указано выше, действительно является замкнутым (открытым).

Как видно из нижеследующего примера, замкнутые множества могут иметь весьма сложное строение.