§7.5 度量空间中的紧致性
本节重点:掌握度量空间中的紧致空间、可数紧致空间、序列紧致空间、列紧空间之间的关系.
由于度量空间满足第一可数性公理,同时也是空间,所以上一节中的讨论(参见表7.2)因此我们,一个度量空间是可数紧致空间当且仅当它是列紧空间,也当且仅当它是序列紧致空间.但由于度量空间不一定就是Lindeloff空间,因此从定理7.4.2并不能断定列紧的度量空间是否一定就是紧致空间.本节研究这个问题并给出肯定的回答.
定义7.5.1 设A是度量空间(X,ρ)中的一个非空子集.集合A的直径diam(A)定义为
diam(A)=sup{ρ(x,y)|x,y∈A}若A是有界的
diam(A)=∞ 若A是无界的
定义7.5.2 设(X,ρ)是一个度量空间,A是X的一个开覆盖.实数λ>0称为开覆盖A的一个Lebesgue数,如果对于X中的任何一个子集A,只要diam(A)<λ,则 A包含于开覆盖A的某一个元素之中.
Lebesgue数不一定存在.例如考虑实数空间R的开覆盖
{(-∞,1)}∪{(n-1/n,n+1+1/n) |n∈Z+}
则任何一个正实数都不是它的Lebesgue数.(请读者自补证明.)
定理7.5.1[Lebesgue数定理] 序列紧致的度量空间的每一个开覆盖有一个Lebesgue数.
证明 设X是一个序列紧致的度量空间,A是X的一个开覆盖.假若开覆盖A没有Lebesgue 数,则对于任何i∈Z+,实数1/i不是A的Lebesgue数,所以X有一个子集E,使得diam(E)<1/i并且Ei不包含于A的任何元素之中.
在每一个之中任意选取一个点
,由于X是一个序列紧致空间,所以序列
有一个收敛的子序列
.由于A是X的一个开覆盖,故存在A∈A使得y∈A,并且存在实数ε>0使得球形邻域B(y,ε)
A.由于
,所以存在整数M>0使得当i>M时
.令k为任意一个整数,使得k>M+2/ε,则对于任何
有
ρ(x,y)≤ρ(x,)+ ρ(
,y)<ε
这证明
A
与的选取矛盾.
证明 设X是一个序列紧致的度量空间,A是X的一个开覆盖.根据定理7.5.1,X的开覆盖A有一个Lebesgue数,设为λ>0.
令B={B(x,λ/3)}.它是X的一个开覆盖.我们先来证明B有一个有限子覆盖.
假设B没有有限子覆盖.任意选取一点∈X.对于i>1,假定点
已经取定,由于
不是X的覆盖,选取.按照归纳原则,序列
已经取定.易见对于任何i,j∈Z+,i≠j,有ρ(
)>λ/3.序列
没有任何收敛的子序列.(因为任何y∈X的球形邻域B(y,λ/6)中最多只能包含这个序列中的一个点.)这与X是序列紧致空间相矛盾.
现在设{}是开覆盖B的一个有限子覆盖.由于其中每一个元素的直径都小于λ,所以对于每一个i=1,2,…,n存在
使得
B(,λ/3)
.于是{
}是A的一个子覆盖.
因此,根据定理7.5.2以及前一节中的讨论可见:
定理7.5.3 设X是一个度量空间.则下列条件等价:
(1)X是一个紧致空间;
(2)X是一个列紧空间;
(3)X是一个序列紧致空间;
(4)X是一个可数紧致空间.
我们将定理7.5.3的结论列为图表7.3以示强调.
本章总结:
(1)重点是紧致性、紧致性与分离性的关系.
(2)度量空间(特别是)中的紧致性性质要掌握.
(3)紧致性是否是连续映射所能保持的、可积的、可遗传的?证明时牵涉到的闭集要注意是哪个空间的闭集.