§4 开集的构造

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§4 开集的构造

2024-07-16 16:01| 来源: 网络整理| 查看: 265

根据康托三分集的构造过程,有如下的区间列:

(1)#\[\begin{split}\begin{align*} F_1 & = F_{11} \cup F_{12} = \left[ 0, \dfrac{1}{3} \right] \cup \left[ \dfrac{2}{3}, 1 \right], \\ I_1 & = I_{11} = \left( \dfrac{1}{3}, \dfrac{2}{3} \right), \\ F_2 & = F_{21} \cup F_{22} \cup F_{23} \cup F_{24} = \left[ 0, \dfrac{1}{9} \right] \cup \left[ \dfrac{2}{9}, \dfrac{1}{3} \right] \cup \left[ \dfrac{2}{3}, \dfrac{7}{9} \right] \cup \left[ \dfrac{8}{9}, 1 \right], \\ I_2 & = I_{21} \cup I_{22} = \left( \dfrac{1}{9}, \dfrac{2}{9} \right) \cup \left( \dfrac{7}{9}, \dfrac{8}{9} \right), \\ & \vdots \\ F_n & = F_{n1} \cup F_{n2} \cup \cdots \cup F_{n2^{n}}, \\ I_n & = I_{n1} \cup I_{n2} \cup \cdots \cup I_{n2^{n-1}}, \\ & \vdots \\ G_0 & = \bigcup_{n=1}^{\infty} I_n, \\ P_0 & = \mathscr{C} G_0 = \bigcap_{n=1}^{\infty} F_n \longleftarrow \text{(康托三分集)}. \\ \end{align*}\end{split}\]

康托三分集的补集即为 \(G_0\), 其构成区间为 \(I_n\), 集合 \(E\) 即由这些构成区间的中点所成的集。

任取康托三分集中的点 \(x \in P_0 = \bigcap\limits_{n=1}^{\infty} F_n\), 那么 \(x \in F_n, \forall n \in \mathbb{N}\) 成立。 对任意 \(\varepsilon > 0\), 取 \(n \in \mathbb{N}\), 使得 \(\dfrac{1}{3^{n}} < \varepsilon\), 那么 \(x \in F_n\), 从而存在 \(k \in \{ 1, 2, \dots, 2^n \}\), 使得 \(x \in F_{nk}\). 闭区间 \(F_{nk}\) 的长度为 \(\dfrac{1}{3^{n}}\), 所以 \(\forall y \in F_{nk}\), 都有 \(\lvert x - y \rvert \leqslant \varepsilon\). 同时, 闭区间 \(F_{nk}\) 包含了 \(I_{n+1}\) 中的某个开区间 \(I_{n+1, k}, 1 \leqslant k \leqslant 2^{n}\) (即第 \(n+1\) 步从闭区间 \(F_{nk}\) 中去除的中间 \(\dfrac{1}{3}\) 开区间),进而包含了 \(I_{n+1, k}\) 的中点, 记其为 \(y_0\), 那么有 \(0 < \lvert x - y_0 \rvert < \varepsilon\), 即 \(y_0 \in \mathring{U}(x, \varepsilon) \cap E\). 这就证明了 \(x \in P_0\) 是 \(E\) 的聚点。所以有 \(E' \supset P_0\).

反过来,任取 \(x \not\in P_0\), 即有 \(x \in G_0 = \bigcup\limits_{n=1}^{\infty} I_n\), 那么存在 \(n \in \mathbb{N}\), 使得 \(x \in I_n\), 从而存在 \(k \in \{ 1, 2, \dots, 2^{n-1} \}\), 使得 \(x \in I_{nk}\). 如果 \(x\) 是 \(I_{nk}\) 的中点,那么取 \(\varepsilon = \dfrac{1}{3^{n+1}}\), 即有 \(\mathring{U}(x, \varepsilon) \subset I_{nk} \setminus \{ x \}\), 从而 \(\mathring{U}(x, \varepsilon) \cap E = \emptyset\), 这说明了 \(x\) 不是 \(E\) 的聚点。如果 \(x\) 不是 \(I_{nk}\) 的中点,令 \(y_0\) 为 \(I_{nk}\) 的中点, 那么取 \(\varepsilon = \min \left\{ \dfrac{1}{3^{n+1}}, \dfrac{1}{2} \lvert x - y_0 \rvert \right\}\), 这样,去心邻域 \(\mathring{U}(x, \varepsilon)\) 既不包含 \(y_0\), 也不会与 \(F_n\) 中含有的与 \(I_{nk}\) 相邻的任何一个闭区间的中间 \(\dfrac{1}{3}\) 开区间相交, 这样就有 \(\mathring{U}(x, \varepsilon) \cap E = \emptyset\), 也说明了 \(x\) 不是 \(E\) 的聚点。于是我们就证明了 \(\mathscr{C} P_0 \cap E' = \emptyset\), 从而有 \(E' \subset P_0\).

综上所述,有 \(E' = P_0\).



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