유한, 가산, 비가산 집합 · Finite, Countable, Uncountable Sets
$A$와 $B$가 집합이라 하자. $A$에서 $B$로의 1-1 사상이 존재하면 $A$와 $B$가 같은 기수(cardinality)를 가진다고 하고, $A$와 $B$가 대등(equivalent)하다고 한다. $A \sim B$로 표기한다.
다음 세 성질이 성립함을 쉽게 확인할 수 있다:
(i) 반사적: $A \sim A$
(ii) 대칭적: $A \sim B$이면 $B \sim A$
(iii) 추이적: $A \sim B$이고 $B \sim C$이면 $A \sim C$
Let $A$ and $B$ be sets. If there exists a 1-1 mapping from $A$ onto $B$, we say $A$ and $B$ have the same cardinal number (or cardinality), or briefly, $A$ and $B$ are equivalent. We write $A \sim B$.
(i) Reflexive: $A \sim A$
(ii) Symmetric: If $A \sim B$ then $B \sim A$
(iii) Transitive: If $A \sim B$ and $B \sim C$ then $A \sim C$
$\mathbb{N}$을 자연수 전체의 집합이라 하자. $J_n$을 원소가 $1, 2, \ldots, n$인 집합이라 하자. 임의의 집합 $A$에 대해:
(a) 어떤 $n \in \mathbb{N}$에 대해 $A \sim J_n$이거나 $A = \emptyset$이면 $A$는 유한(finite)
(b) $A$가 유한이 아니면 무한(infinite)
(c) $A \sim \mathbb{N}$이면 가산(countable)
(d) $A$가 유한도 아니고 가산도 아니면 비가산(uncountable)
(e) $A$가 유한이거나 가산이면 기껏해야 가산(at most countable)
Let $\mathbb{N}$ be the natural number system. By $J_n$ we denote the set whose elements are $1,2,\ldots,n$. For any set $A$:
(a) $A$ is finite if $A \sim J_n$ for some $n \in \mathbb{N}$ or $A = \emptyset$
(b) $A$ is infinite if $A$ is not finite
(c) $A$ is countable if $A \sim \mathbb{N}$
(d) $A$ is uncountable if $A$ is neither finite nor countable
(e) $A$ is at most countable if $A$ is finite or countable
많은 책에서 "가산(countable)"과 "기껏해야 가산(at most countable)"을 구분하지 않는다. 즉, 유한 집합도 가산으로 간주하는 경우가 많다. 그러나 본 강의노트(그리고 Rudin)에서는 유한 집합을 가산으로 정의하지 않는다.
In many books, "countable" and "at most countable" are not distinguished — a finite set is often regarded as countable. Here (following Rudin) we do not define a finite set as countable.
$\mathbb{Z}$를 정수 전체의 집합이라 하자. 각 $n \in \mathbb{N}$에 대해 다음을 정의한다:
그러면 $f(1) = 0,\ f(2) = 1,\ f(3) = -1,\ f(4) = 2,\ f(5) = -2, \ldots$ 따라서 $f$는 $\mathbb{N}$에서 $\mathbb{Z}$ 위로의 1-1 대응이다. $\sim$의 대칭성에 의해 $\mathbb{Z}$는 가산이다.
Let $\mathbb{Z}$ be the integers. For $n \in \mathbb{N}$, define
Then $f(1)=0,\ f(2)=1,\ f(3)=-1,\ f(4)=2,\ f(5)=-2,\ldots$ so $f$ is a 1-1 mapping from $\mathbb{N}$ onto $\mathbb{Z}$. Hence $\mathbb{Z}$ is countable.
EX 2.6에 의해 유한 집합은 자신의 진부분집합과 대등할 수 없다. 그러나 EXAM 2.9는 무한 집합의 경우 자신의 진부분집합과 대등할 수 있음을 보여준다 ($\mathbb{N} \subsetneq \mathbb{Z}$이지만 $\mathbb{N} \sim \mathbb{Z}$). 즉, 집합 $A$가 자신과 대등한 진부분집합을 가진다면 $A$는 무한이다.
By EX 2.6, no finite set is equivalent to a proper subset of itself. EXAM 2.9 shows this is possible for infinite sets ($\mathbb{N} \subsetneq \mathbb{Z}$ and $\mathbb{N} \sim \mathbb{Z}$). So if $A$ has a proper subset equivalent to $A$, then $A$ is infinite.
$\mathbb{N}$ 위에 정의된 함수 $f$를 수열(sequence)이라 한다. $f(n) = x_n$일 때, 수열 $f$를 기호 $\{x_n\}$ 또는 $x_1, x_2, x_3, \ldots$로 나타낸다.
$f$의 값, 즉 원소 $x_n$을 수열의 항(term)이라 하고, $x_n$을 제$n$항($n$-th term)이라 한다.
모든 $n \in \mathbb{N}$에 대해 $x_n \in A$인 집합 $A$가 존재하면, $\{x_n\}$을 $A$ 안의 수열(sequence in $A$) 또는 $A$-값 수열($A$-valued sequence)이라 한다.
Any function $f$ defined on $\mathbb{N}$ is called a sequence. If $f(n) = x_n$, it is customary to denote the sequence $f$ by the symbol $\{x_n\}$ or $x_1, x_2, x_3, \ldots$
The values of $f$, that is, the elements $x_n$ are called the terms of the sequence. In particular, $x_n$ is called the $n$-th term.
If there exists a set $A$ such that $x_n \in A$ for all $n \in \mathbb{N}$, then $\{x_n\}$ is said to be a sequence in $A$, or $A$-valued sequence.
모든 가산 집합은 $\mathbb{N}$ 위에 정의된 1-1 함수의 치역이므로, 가산 집합을 서로 다른 항으로 이루어진 수열의 치역으로 볼 수 있다. 즉, $A$가 가산이면
로 쓸 수 있으며, $i \neq j$이면 $x_i \neq x_j$이다.
Every countable set is the range of a 1-1 function on $\mathbb{N}$, so a countable set can be viewed as the range of a sequence of distinct terms. If $A$ is countable, we write $A = \{x_n\}$, $A = \{x_n : n \in \mathbb{N}\}$, or $A = \{x_1, x_2, \ldots\}$ with $x_i \neq x_j$ whenever $i \neq j$.
가산 집합의 모든 무한 부분집합은 가산이다.
$A$를 가산 집합, $E \subset A$를 무한 부분집합이라 하자. $A$의 원소를 수열 $(x_n)$으로 나열한다.
$n_1$을 $x_{n_1} \in E$인 가장 작은 양의 정수라 하자. 귀납적으로 $k = 2,3,\ldots$에 대해 $n_k$를 $n_{k-1}$보다 크고 $x_{n_k} \in E$인 가장 작은 정수로 택한다.
$E$가 무한이므로 이 과정은 모든 $k$에 대해 가능하다. $f(k) = x_{n_k}$로 놓으면 $f$는 $\mathbb{N}$에서 $E$로의 1-1 대응이다.
Every infinite subset of a countable set is countable.
Let $A$ be countable, $E \subset A$ infinite. Arrange elements of $A$ in a sequence $(x_n)$. Let $n_1$ be the smallest positive integer with $x_{n_1} \in E$. Inductively, let $n_k$ be the smallest integer greater than $n_{k-1}$ with $x_{n_k} \in E$. This is possible for all $k$ since $E$ is infinite. By putting $f(k) = x_{n_k}$, we obtain a 1-1 correspondence between $\mathbb{N}$ and $E$. $\square$
자명하게도 THM 2.13은 "가산 집합의 모든 부분집합은 기껏해야 가산"임을 말한다. (유한 부분집합이거나 무한 부분집합이며, 후자의 경우 THM 2.13에 의해 가산.)
Obviously, THM 2.13 says every subset of a countable set is at most countable.
$A$와 $\Omega$를 집합이라 하자. 각 $\alpha \in A$에 대해 $\Omega$의 부분집합 $E_\alpha$가 존재하면, $A$를 첨자 집합(index set)이라 하고, $E_\alpha$들의 집합 $\{E_\alpha : \alpha \in A\}$를 집합족(collection of sets) 또는 집합들의 모임(family of sets)이라 한다.
집합 $E_\alpha$들의 합집합(union) $\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha$는 어떤 $\alpha \in A$에 대해 $x \in E_\alpha$인 $x \in \Omega$ 전체의 집합이다:
교집합(intersection) $\bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha$는 모든 $\alpha \in A$에 대해 $x \in E_\alpha$인 $x \in \Omega$ 전체의 집합이다:
Let $A$ and $\Omega$ be sets. Assume that for each $\alpha \in A$, there exists a subset $E_\alpha \subset \Omega$. Then $A$ is called an index set and the set whose elements are the sets $E_\alpha$ will be denoted by $\{E_\alpha\}$ or $\{E_\alpha : \alpha \in A\}$. A set of sets is usually called a collection of sets or a family of sets.
The union of the sets $E_\alpha$ denoted by $\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha$ is defined to be the set such that $x \in \bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha$ if and only if $x \in E_\alpha$ for some $\alpha \in A$:
The intersection of the sets $E_\alpha$ denoted by $\bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha$ is defined to be the set such that $x \in \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha$ if and only if $x \in E_\alpha$ for all $\alpha \in A$:
$\{E_n\}$을 가산 집합들의 수열이라 하면, $\bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$은 가산이다.
각 $E_n$이 가산이므로 수열로 나열할 수 있다: $E_n = \{x_{nk}\}$ ($k = 1,2,3,\ldots$).
대각선 배열을 이용하여 $\bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$의 모든 원소를 하나의 수열로 나열할 수 있다:
서로 다른 $E_n$이 공통 원소를 가지면 위 나열에서 중복이 생기므로, $\mathbb{N}$의 부분집합 $T$가 존재하여 $T \sim \bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$이다.
$E_1 \subset \bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$이고 $E_1$이 무한이므로, $\bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$도 무한이다. 따라서 Thm 2.13에 의해 가산이다.
Let $\{E_n\}$ be a sequence of countable sets. Then $\bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$ is countable.
Since each $E_n$ is countable, arrange as $E_n = \{x_{nk}\}$ ($k = 1,2,3,\ldots$). We can count all elements of $\bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$ using the diagonal arrangement: $x_{11};\; x_{21}, x_{12};\; x_{31}, x_{22}, x_{13};\; x_{41}, x_{32}, x_{23}, x_{14};\; \ldots$ If any two of the sets $E_n$ have elements in common, these will appear more than once. Hence there is a subset $T$ of $\mathbb{N}$ such that $T \sim \bigcup_{n=1}^{\infty} E_n$. Since $E_1 \subset \bigcup E_n$ and $E_1$ is an infinite set, $\bigcup E_n$ is an infinite set. Therefore by Theorem 2.13, $\bigcup E_n$ is countable. $\square$
$A$를 기껏해야 가산인 집합이라 하자. 각 $\alpha \in A$에 대해 $B_\alpha$가 기껏해야 가산이면, $\bigcup_{\alpha \in A} B_\alpha$는 기껏해야 가산이다.
Let $A$ be at most countable. Assume that for each $\alpha \in A$, there exists an at most countable set $B_\alpha$. Then $\bigcup_{\alpha \in A} B_\alpha$ is at most countable.
$A$를 가산 집합이라 하고, $B_n$을 모든 $n$-tuple $(a_1, \ldots, a_n)$ ($a_k \in A$, $k = 1, \ldots, n$, $n \in \mathbb{N}$)의 집합이라 하자. 그러면 $B_n$은 가산이다.
$n = 1$이면 $B_1 = A$이므로 가산이다. 수학적 귀납법을 사용한다. $n \geq 2$인 어떤 $n \in \mathbb{N}$에 대해 $B_{n-1}$이 가산이라고 가정하자.
$B_n$의 원소는 $(b, a)$ ($b \in B_{n-1}$, $a \in A$) 형태이다. 고정된 $b$에 대해 $\{(b,a) : a \in A\} \sim A$이므로 가산이다.
$B_n = \bigcup_{b \in B_{n-1}} \{(b,a) : a \in A\}$이므로, $B_n$은 가산 집합들의 가산 합집합이다. 따라서 Thm 2.17에 의해 $B_n$은 가산이다.
Let $A$ be a countable set and $B_n$ be the set of all $n$-tuples $(a_1,\ldots,a_n)$ where $a_k \in A$ for all $k = 1,\ldots,n$. Then $B_n$ is countable.
Obviously if $n = 1$, then $B_1 = A$ is countable. We use mathematical induction. Suppose $B_{n-1}$ is countable for some $n \in \mathbb{N}$ with $n \geq 2$. The elements of $B_n$ are of the form $(b, a)$ ($b \in B_{n-1}$, $a \in A$). For every fixed $b$, $\{(b,a) : a \in A\} \sim A$. Thus $\{(b,a) : a \in A\}$ is countable. Observe that $B_n = \bigcup_{b \in B_{n-1}} \{(b,a) : a \in A\}$. In other words, $B_n$ is the countable union of countable sets. Therefore, by Theorem 2.17, $B_n$ is countable. $\square$
$\mathbb{Q}$는 가산이다.
$\mathbb{Z}$는 가산이다 (Example 2.9). Thm 2.21에 의해 $\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}$는 가산이다.
모든 유리수는 $a/b$ ($a,b \in \mathbb{Z}$, $b \neq 0$) 형태이므로, $A \subset \mathbb{Z} \times \mathbb{Z}$가 존재하여 $A \sim \mathbb{Q}$. $\mathbb{Q}$가 무한이므로 Thm 2.13에 의해 가산이다.
$\mathbb{Q}$ is countable.
$\mathbb{Z}$ is countable (Example 2.9). By Thm 2.21, $\mathbb{Z} \times \mathbb{Z}$ is countable. Every rational is $a/b$ where $a,b \in \mathbb{Z}$, $b \neq 0$. So $A \subset \mathbb{Z} \times \mathbb{Z}$ with $A \sim \mathbb{Q}$. Since $\mathbb{Q}$ is infinite, it's countable by Thm 2.13. $\square$
원소가 숫자 0과 1인 모든 수열들의 집합 $A$는 비가산이다.
귀류법. $A$가 가산이라 가정하자. 그러면 $A$의 원소들을 수열 $s_1, s_2, s_3, \ldots$로 나열할 수 있다. 각 수열을 $$s_n = (s_{n,1},\, s_{n,2},\, s_{n,3},\, \ldots)$$ 으로 쓴다.
이제 수열 $\bar{s} = (\bar{s}_1, \bar{s}_2, \bar{s}_3, \ldots)$를 다음과 같이 정의한다: $$\bar{s}_n = \begin{cases} 1 & \text{if } s_{n,n} = 0 \\ 0 & \text{if } s_{n,n} = 1 \end{cases}$$
그러면 $\bar{s} \in A$이고, 모든 $n$에 대해 $\bar{s}_n \neq s_{n,n}$이므로 $\bar{s} \neq s_n$이다. 이는 $A$의 모든 원소가 나열되었다는 가정에 모순이다.
이것이 Cantor의 대각선 논법이다.
Let $A$ be the set of all sequences whose elements are the digits 0 and 1. Then $A$ is uncountable.
Suppose $A$ is countable. Then the members of $A$ can be arranged in a sequence $s_1, s_2, s_3, \ldots$, where each $s_n = (s_{n,1},\, s_{n,2},\, s_{n,3},\, \ldots)$.
Construct a sequence $\bar{s} = (\bar{s}_1, \bar{s}_2, \bar{s}_3, \ldots)$ by $$\bar{s}_n = \begin{cases} 1 & \text{if } s_{n,n} = 0 \\ 0 & \text{if } s_{n,n} = 1 \end{cases}$$
Then $\bar{s} \in A$, and $\bar{s} \neq s_n$ for every $n$ (since $\bar{s}_n \neq s_{n,n}$). This contradicts the assumption that every member of $A$ appears in the sequence. This is Cantor's diagonal process. $\square$
거리 공간 · Metric Spaces
THM 2.23의 증명에서 $\tilde{x}$를 구성한 방법을 Cantor의 대각선 논법(Cantor's diagonal process)이라 한다. 각 수열 $x_n$의 $n$번째 항과 다르게 $\tilde{x}$의 $n$번째 항을 정의함으로써 가정한 목록 바깥의 원소를 만들어낸다.
The method of constructing $\tilde{x}$ in the proof of THM 2.23 is called Cantor's diagonal process.
집합 $X$가 거리 공간(metric space)이라 함은 $X$의 임의의 두 원소 $p, q$에 대해 거리(distance) $d(p,q)$라 불리는 실수가 대응되는 함수 $d: X \times X \to \mathbb{R}$이 존재하여 다음을 만족하는 것이다:
(a) $d(p,p) = 0$ for all $p \in X$
(b) $d(p,q) > 0$ if $p \neq q$
(c) $d(p,q) = d(q,p)$ for all $p,q \in X$
(d) 삼각부등식: $d(p,q) \leq d(p,r) + d(r,q)$ for all $p,q,r \in X$
이 성질을 만족하는 함수를 거리(metric) 또는 거리함수(distance function)라 한다. $(X, d)$가 거리 공간이라고도 쓴다.
A set $X$ is said to be a metric space if there exists a function $d: X \times X \to \mathbb{R}$ such that:
(a) $d(p,p) = 0$ for all $p \in X$
(b) $d(p,q) > 0$ if $p \neq q$
(c) $d(p,q) = d(q,p)$ for all $p,q \in X$
(d) Triangle inequality: $d(p,q) \leq d(p,r) + d(r,q)$ for all $p,q,r \in X$
Any function satisfying these is called a metric or distance function.
$(X, d)$가 거리 공간이면 $X$의 임의의 부분집합도 같은 거리 $d$로 거리 공간이 된다. (거리 공리 (a)–(d)가 $X \times X$에서 성립하면, $Y \times Y \subset X \times X$에서도 성립하기 때문.)
Let $(X,d)$ be a metric space. Then any subset of $X$ is also a metric space with the metric $d$.
거리 공간의 가장 중요한 예는 유클리드 공간 $\mathbb{R}^k$ (DEF 1.32 참고)이다. $\mathbb{R}^k$의 거리를
로 정의한다. THM 1.33에 의해 $d$가 DEF 2.26의 네 성질 (a), (b), (c), (d)를 만족함을 쉽게 확인할 수 있다. 즉, $d$는 $\mathbb{R}^k$에서의 거리이다. 특별한 언급이 없으면 $\mathbb{R}^k$의 거리는 항상 이 식으로 주어진 것으로 가정하며, 이를 표준 거리(standard metric)라 한다.
The most important example of a metric space is the Euclidean space $\mathbb{R}^k$ (see DEF 1.32). The metric in $\mathbb{R}^k$ is defined by
By THM 1.33, $d$ satisfies properties (a)–(d) in DEF 2.26, so $d$ is a metric on $\mathbb{R}^k$. Unless specified otherwise, this is the standard metric on $\mathbb{R}^k$.
(i) $a < b$일 때, 선분(segment) $(a,b)$은 $a < x < b$인 모든 실수 $x$의 집합이며 열린 구간(open interval)이라고도 한다. 구간(interval) $[a,b]$는 $a \leq x \leq b$인 모든 실수 $x$의 집합이며 닫힌 구간(closed interval)이다. 반열린 구간도 비슷하게 정의.
(ii) $a_i < b_i$ ($i=1,\ldots,k$)일 때, $a_i \leq x_i \leq b_i$를 만족하는 모든 점 $x = (x_1,\ldots,x_k) \in \mathbb{R}^k$의 집합을 $k$-cell이라 한다.
(iii) $x \in \mathbb{R}^k$, $r > 0$일 때, 열린 공(open ball) $B(x,r) = \{y \in \mathbb{R}^k : |y - x| < r\}$, 닫힌 공(closed ball) $\bar{B}(x,r) = \{y \in \mathbb{R}^k : |y - x| \leq r\}$.
(iv) $E \subset \mathbb{R}^k$가 볼록(convex)이란 $\lambda x + (1-\lambda)y \in E$ for all $x,y \in E$, $0 < \lambda < 1$.
(i) Segment $(a,b)$ = open interval, interval $[a,b]$ = closed interval.
(ii) A $k$-cell is the set of all $x=(x_1,\ldots,x_k) \in \mathbb{R}^k$ with $a_i \leq x_i \leq b_i$.
(iii) Open ball $B(x,r) = \{y \in \mathbb{R}^k : |y-x| < r\}$, closed ball $\bar{B}(x,r) = \{y \in \mathbb{R}^k : |y-x| \leq r\}$.
(iv) $E \subset \mathbb{R}^k$ is convex if $\lambda x + (1-\lambda)y \in E$ for all $x,y \in E$, $0 < \lambda < 1$.
근방, 극한점, 열린·닫힌 집합 · Neighborhoods, Limit Points, Open/Closed Sets
$(X,d)$를 거리 공간이라 하자. $E \subset X$에 대해:
(a) $r > 0$일 때, 점 $p$의 근방(neighborhood) $N_r(p) = \{q \in X : d(p,q) < r\}$. $r$을 반지름, $p$를 중심이라 한다.
(b) $p$가 $E$의 극한점(limit point)이란 $p$의 모든 근방이 $p \neq q$인 $q \in E$를 포함하는 것.
(c) $p \in E$이고 $p$가 $E$의 극한점이 아니면 $p$를 $E$의 고립점(isolated point)이라 한다.
(d) 모든 극한점이 $E$에 속하면 $E$는 닫혀있다(closed).
(e) $p \in E$에 대해 $N_r(p) \subset E$인 $r > 0$이 존재하면 $p$는 $E$의 내점(interior point).
(f) $E$의 모든 점이 내점이면 $E$는 열려있다(open).
(g) $E$의 여집합 $E^c = \{p \in X : p \notin E\}$.
(h) $E$가 닫혀있고 모든 점이 극한점이면 $E$는 완전(perfect).
(i) $M > 0$이 존재하여 모든 $p, q \in E$에 대해 $d(p,q) < M$이면 $E$는 유계(bounded).
(j) $E$가 $X$에서 조밀(dense)이란 $X$의 모든 점이 $E$의 극한점이거나 $E$의 점인 것.
Let $(X,d)$ be a metric space, $E \subset X$:
(a) Neighborhood $N_r(p) = \{q \in X : d(p,q) < r\}$.
(b) $p$ is a limit point of $E$ if every neighborhood of $p$ contains a point $q \neq p$ such that $q \in E$.
(c) If $p \in E$ and $p$ is not a limit point, $p$ is an isolated point.
(d) $E$ is closed if every limit point of $E$ is a point of $E$.
(e) $p$ is an interior point of $E$ if there is a $N_r(p) \subset E$.
(f) $E$ is open if every point of $E$ is an interior point.
(g) Complement $E^c = X - E$.
(h) $E$ is perfect if $E$ is closed and every point of $E$ is a limit point.
(i) $E$ is bounded if there is $M > 0$ with $d(p,q) < M$ for all $p,q \in E$.
(j) $E$ is dense in $X$ if every point of $X$ is a limit point of $E$, or a point of $E$ (or both).
거리 공간에서 모든 근방은 열린 집합이다.
$E = N_r(p)$라 하자. $q \in N_r(p)$이면 $h = r - d(p,q) > 0$이다.
$s \in N_h(q)$이면 삼각부등식에 의해 $d(p,s) \leq d(p,q) + d(q,s) < d(p,q) + h = r$이다.
따라서 $N_h(q) \subset N_r(p)$이므로 $q$는 내점이다.
Let $(X,d)$ be a metric space. Then every neighborhood in $X$ is an open set.
Let $E = N_r(p)$. Let $q \in N_r(p)$. Set $h = r - d(p,q) > 0$. For all $s \in N_h(q)$, by triangle inequality $d(p,s) \leq d(p,q) + d(q,s) < d(p,q) + h = r$. So $N_h(q) \subset N_r(p)$, meaning $q$ is an interior point. $\square$
거리 공간 $(X,d)$에서 $E \subset X$이고 $p$가 $E$의 극한점이면, $p$의 모든 근방은 $E$의 무한히 많은 점을 포함한다.
어떤 $N_r(p)$가 $p$와 다른 $E$의 점을 유한 개 $q_1,\ldots,q_n$만 포함한다고 가정하자.
$r' = \min\{d(p,q_i)\}$로 놓으면 $N_{r'}(p)$는 $p$ 이외의 $E$의 점을 포함하지 않으므로, $p$가 극한점인 것에 모순이다.
Let $(X,d)$ be a metric space, $E \subset X$, and $p$ a limit point of $E$. Then every neighborhood of $p$ contains infinitely many points of $E$.
Suppose some $N_r(p)$ contains only finitely many points $q_1,\ldots,q_n$ of $E$ distinct from $p$. Let $r' = \min\{d(p,q_i)\}$. Then $N_{r'}(p)$ contains no point of $E$ other than possibly $p$, contradicting $p$ being a limit point. $\square$
거리 공간의 유한 부분집합 $E$에 대해:
(i) $E$는 유계
(ii) $E$는 극한점을 갖지 않는다
(iii) $E$는 닫혀있다
$E = \emptyset$이면 모든 성질이 자명하다. $E$가 공집합이 아니라 가정하자. $n = |E|$로 놓고 $E = \{a_1, a_2, \ldots, a_n\}$이라 쓰자.
(i) $M = \max\{d(a_1, a_i) : i = 1, \ldots, n\} + 1$로 놓으면, 모든 $i$에 대해 $d(a_1, a_i) < M$이다. 따라서 $E$는 유계이다.
(ii) $E$가 극한점 $p$를 갖는다고 가정하자. Thm 2.34에 의해 $p$의 모든 근방 $N_r(p)$는 $E$의 무한히 많은 점을 포함해야 한다. 이는 $E$가 유한이라는 가정에 모순이다.
(iii) (ii)에 의해 $E$의 극한점 집합은 공집합이다. $\emptyset \subset E$이므로 $E$는 닫혀있다.
Let $(X,d)$ be a nonempty metric space and $E$ be a finite subset of $X$. Prove that:
(i) $E$ is bounded
(ii) $E$ has no limit points
(iii) $E$ is closed
If $E = \emptyset$, all statements are obvious. So assume $E$ is not empty. Set $n = |E|$. By $a_1, a_2, \ldots, a_n$, we denote the elements of $E$.
(i) Set $M = \max\{d(a_1, a_i) : i = 1,\ldots,n\} + 1$. Then $d(a_1, a_i) < M$ for all $i$. Therefore $E$ is bounded.
(ii) Assume that $E$ has a limit point $p$. By Theorem 2.34, $N_r(p)$ contains infinitely many points of $E$. It is contradiction and thus (ii) is proved.
(iii) By (ii), the set of all limit points of $E$ is empty set. Since $\emptyset \subset E$, $E$ is closed. $\square$
$\mathbb{R}$의 부분집합을 생각하자:
그러면 다음이 성립한다:
(i) $E$는 극한점을 단 하나만 가진다 ($0$)
(ii) $E$는 내점을 갖지 않는다
(iii) $E$는 닫혀있지 않다
(iv) $E$는 열려있지 않다
(v) $E$는 완전(perfect)이 아니다
따라서 열려있지도, 닫혀있지도, 완전이지도 않은 $\mathbb{R}$의 부분집합이 존재한다. (증명은 EX 2.37.)
Consider the subset of $\mathbb{R}$
Then (i) $E$ has only one limit point $0$; (ii) $E$ has no interior point; (iii) $E$ is not closed; (iv) $E$ is not open; (v) $E$ is not perfect. Thus there exists a subset of $\mathbb{R}$ which is neither open, closed, nor perfect. (See EX 2.37.)
$E_1 := (a, b)$, $E_2 := (a, b) \times \{0\}$로 놓자.
(i) $\mathbb{R}$에서 $d(x,y) := |x-y|$는 거리이다. THM 2.33에 의해 $E_1$은 $\mathbb{R}$에서 열려있다. 왜냐하면
(ii) $E_2$의 임의의 점은 $\mathbb{R}^2$에서 $E_2$의 내점이 아니다.
따라서 열린 구간은 $\mathbb{R}$에서는 열려있지만 $\mathbb{R}^2$에서는 열려있지 않다. (증명은 EX 2.38.)
Set $E_1 := (a, b)$ and $E_2 := (a, b) \times \{0\}$. (i) In $\mathbb{R}$ with $d(x,y) = |x-y|$, $E_1$ is open since $(a,b) = N_r(p)$ with $p = (a+b)/2$, $r = (b-a)/2$. (ii) No point of $E_2$ is an interior point of $E_2$ in $\mathbb{R}^2$. So an open interval is open in $\mathbb{R}$ but not in $\mathbb{R}^2$. (See EX 2.38.)
$(X,d)$를 거리 공간, $E \subset X$, $x \in X$라 하자. $x$가 $E$의 극한점이 아니고 $x \notin E$이면, $N_r(x) \cap E = \emptyset$인 $r > 0$이 존재한다.
$p$가 $E$의 극한점이면, $p$의 모든 근방은 $q \neq p$이고 $q \in E$인 점 $q$를 포함한다. $x$는 $E$의 극한점이 아니므로, $x$의 모든 근방이 $q \neq x$이고 $q \in E$인 점을 포함하는 것은 아니다.
즉, $q \neq x$이고 $q \in E$인 점을 포함하지 않는 $x$의 근방이 존재한다. 모든 근방은 $N_r(x)$ ($r > 0$)로 나타낼 수 있으므로, $N_r(x) \cap E = \{x\}$ 또는 $N_r(x) \cap E = \emptyset$인 $r > 0$이 존재한다. $x \notin E$이므로, $N_r(x) \cap E = \emptyset$.
Let $(X,d)$ be a metric space, $E \subset X$, and $x$ a point in $X$. Assume that $x \notin E$ and $x$ is not a limit point of $E$. Then there exists $r > 0$ such that $N_r(x) \cap E = \emptyset$.
If $p$ is a limit point of $E$, then every neighborhood of $p$ contains a point $q \neq p$ such that $q \in E$. Since $x$ is not a limit point of $E$, not every neighborhood of $x$ contains a point $q \neq x$ such that $q \in E$. Thus there exists a neighborhood of $x$ which does not contain a point $q \neq x$ such that $q \in E$. Since every neighborhood of $x$ can be represented by $N_r(x)$ with $r > 0$, there exists a $r > 0$ such that $N_r(x) \cap E = \{x\}$ or $N_r(x) \cap E = \emptyset$. Since $x \notin E$ by the assumption, there exists a $r > 0$ such that $N_r(x) \cap E = \emptyset$. $\square$
집합 $E$는 열려있다 $\iff$ $E^c$는 닫혀있다.
($\Rightarrow$) $E^c$가 닫혀있음을 보인다. $x$가 $E^c$의 극한점이라 하자. $x \in E$이면 $x$는 $E$의 내점이므로 $N_r(x) \subset E$인 $r$이 존재하고, $N_r(x) \cap E^c = \emptyset$이 되어 $x$가 극한점인 것에 모순. 따라서 $x \in E^c$.
($\Leftarrow$) $E$가 열려있음을 보인다. $x \in E$이면 $x \notin E^c$. $E^c$가 닫혀있으므로 $x$는 $E^c$의 극한점이 아니다. Lem 2.39에 의해 $N_r(x) \cap E^c = \emptyset$인 $r$이 존재. 즉 $N_r(x) \subset E$.
A set $E$ is open if and only if $E^c$ is closed.
($\Rightarrow$) Suppose $E$ is open. Let $x$ be a limit point of $E^c$. If $x \in E$, then $x$ is interior to $E$, so $N_r(x) \subset E$ for some $r$, meaning $N_r(x) \cap E^c = \emptyset$, contradicting $x$ being a limit point. Thus $x \in E^c$.
($\Leftarrow$) Suppose $E^c$ is closed. Let $x \in E$. Then $x \notin E^c$ and $x$ is not a limit point of $E^c$. By Lem 2.39, $N_r(x) \cap E^c = \emptyset$ for some $r$. Hence $N_r(x) \subset E$. $\square$
집합 $F$가 닫혀있다 $\iff$ $F^c$가 열려있다.
Thm 2.40에 의해 $F^c$가 열려있다 $\iff$ $(F^c)^c$가 닫혀있다. $(F^c)^c = F$이므로, 따름정리가 증명된다.
A set $F$ is closed if and only if its complement is open.
Due to Theorem 2.40, $F^c$ is open if and only if $(F^c)^c$ is closed. Since $(F^c)^c = F$, the corollary is proved. $\square$
(일반화된 드 모르간 법칙) $A$를 첨자 집합이라 하고 각 $\alpha \in A$에 대해 집합 $E_\alpha$가 주어지면:
증명의 유사성으로 인해 (a)만 증명한다.
먼저 $\left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c \subset \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$를 보인다. $x \in \left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c$이면, $x \notin \bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha$이므로 모든 $\alpha \in A$에 대해 $x \notin E_\alpha$이다. $E_\alpha^c$의 정의에 의해 모든 $\alpha \in A$에 대해 $x \in E_\alpha^c$이다. 따라서 $x \in \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$.
다음으로 $\left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c \supset \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$를 보인다. $x \in \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$이면, 모든 $\alpha \in A$에 대해 $x \in E_\alpha^c$이고 따라서 $x \notin E_\alpha$이다. 그러므로 $x \notin \bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha$이고, $x \in \left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c$.
(Generalization of De Morgan's law) For any index set $A$ and collection $\{E_\alpha : \alpha \in A\}$:
We only prove (a) because of the similarity of the proof. First we prove $\left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c \subset \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$. Let $x \in \left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c$. Then $x \notin \bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha$ and thus $x \notin E_\alpha$ for all $\alpha \in A$. By the definition of $E_\alpha^c$, $x \in E_\alpha^c$ for all $\alpha \in A$. Therefore $x \in \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$.
Next we prove $\left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c \supset \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$. Let $x \in \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$. Then $x \in E_\alpha^c$ for all $\alpha \in A$ and thus $x \notin E_\alpha$ for all $\alpha \in A$. Therefore $x \notin \bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha$ and finally we have $x \in \left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c$. $\square$
(a) 열린 집합들의 합집합은 열려있다.
(b) 닫힌 집합들의 교집합은 닫혀있다.
(c) 유한 개의 열린 집합의 교집합은 열려있다.
(d) 유한 개의 닫힌 집합의 합집합은 닫혀있다.
(a) $x \in \bigcup_{\alpha \in A} G_\alpha$인 임의의 $x$에 대해, $x$가 내점임을 보이면 충분하다. $x \in \bigcup G_\alpha$이면, 합집합의 정의에 의해 $x \in G_{\alpha_0}$인 $\alpha_0 \in A$가 존재한다. $G_{\alpha_0}$가 열려있으므로 $x$는 $G_{\alpha_0}$의 내점이다. 따라서 $N_r(x) \subset G_{\alpha_0} \subset \bigcup G_\alpha$인 $r > 0$이 존재한다.
(b) Cor 2.41에 의해 $\left(\bigcap_{\alpha \in A} F_\alpha\right)^c$가 열려있음을 보이면 충분하다. Thm 2.40에 의해 $F_\alpha^c$는 모든 $\alpha \in A$에 대해 열려있다. (a)에 의해 $\bigcup_{\alpha \in A} F_\alpha^c$도 열려있다. Lem 2.42에 의해 $\left(\bigcap_{\alpha \in A} F_\alpha\right)^c = \bigcup_{\alpha \in A} F_\alpha^c$이므로, $\left(\bigcap F_\alpha\right)^c$는 열려있다.
(c) $x \in \bigcap_{i=1}^{n} G_i$인 임의의 점이 내점임을 보인다. $x \in G_i$ for all $i = 1, \ldots, n$이다. 각 $G_i$가 열려있으므로 $x$는 내점이고, 각 $i$에 대해 $N_{r_i}(x) \subset G_i$인 $r_i > 0$이 존재한다. $r = \min\{r_1, \ldots, r_n\}$으로 놓으면 $r > 0$이고, $N_r(x) \subset N_{r_i}(x) \subset G_i$ for all $i$. 따라서 $N_r(x) \subset \bigcap_{i=1}^{n} G_i$.
(d) (b)의 증명과 유사하므로 생략한다.
(a) Any union of open sets is open.
(b) Any intersection of closed sets is closed.
(c) A finite intersection of open sets is open.
(d) A finite union of closed sets is closed.
(a) It suffices to show that for any $x \in \bigcup_{\alpha \in A} G_\alpha$, $x$ is an interior point. Let $x \in \bigcup G_\alpha$. Then by the definition of the union, there exists $\alpha_0 \in A$ such that $x \in G_{\alpha_0}$. Since $G_{\alpha_0}$ is open, $x$ is an interior point of $G_{\alpha_0}$. Thus there exists $r > 0$ such that $N_r(x) \subset G_{\alpha_0} \subset \bigcup G_\alpha$.
(b) Due to Corollary 2.41, it suffices to show that $\left(\bigcap_{\alpha \in A} F_\alpha\right)^c$ is open. By Theorem 2.40, $F_\alpha^c$ is open for all $\alpha \in A$. Thus by (a), $\bigcup_{\alpha \in A} F_\alpha^c$ is also open. Moreover, due to Lemma 2.42, $\left(\bigcap F_\alpha\right)^c = \bigcup F_\alpha^c$. Therefore $\left(\bigcap F_\alpha\right)^c$ is open.
(c) It suffices to show that any point $x \in \bigcap_{i=1}^{n} G_i$ is an interior point. Let $x \in \bigcap_{i=1}^{n} G_i$. Then $x \in G_i$ for all $i = 1,\ldots,n$. Since each $G_i$ is open, $x$ is an interior point and thus for each $i$, there exists $r_i > 0$ such that $N_{r_i}(x) \subset G_i$. Put $r = \min\{r_1,\ldots,r_n\}$. Then obviously $r > 0$ and $N_r(x) \subset N_{r_i}(x)$ for all $i = 1,\ldots,n$. Therefore $N_r(x) \subset \bigcap_{i=1}^{n} G_i$.
(d) Since the proof of (d) is similar to that of (b), we skip the details. $\square$
열린 집합들의 가산 교집합이 반드시 열린 것은 아니다.
반례: $G_n = (-1/n, 1/n)$이면 각 $G_n$은 열려있지만 $\bigcap_{n=1}^{\infty} G_n = \{0\}$은 열려있지 않다.
A countable intersection of open sets need not be open.
Counterexample: $G_n = (-1/n, 1/n)$ are open but $\bigcap G_n = \{0\}$ is not open.
$(X,d)$를 거리 공간이라 하자.
(a) $E'$로 $E$의 모든 극한점의 집합을 나타낸다.
(b) $E$의 폐포(closure)는 $\bar{E} = E \cup E'$로 정의된다.
(a) By $E'$ we denote the set of all limit points of $E$ in $X$.
(b) The closure of $E$ is defined as $\bar{E} = E \cup E'$.
$(X,d)$를 거리 공간, $E \subset X$, $N_r(x)$를 $X$에서의 근방이라 하자. $E \cap N_r(x) = \emptyset$이면 $\bar{E} \cap N_r(x) = \emptyset$이다.
$E' \cap N_r(x) = \emptyset$임을 보이면 충분하다. 즉 $N_r(x)$ 안에 $E$의 극한점이 없음을 보인다.
귀류법. $E$의 극한점 $p$가 $N_r(x)$ 안에 존재한다고 가정하자. $d(p,x) < r$이므로 $h := r - d(p,x) > 0$으로 정의한다. Thm 2.33의 증명 과정에 따르면 $N_h(p) \subset N_r(x)$임을 확인할 수 있다.
그런데 $p$는 $E$의 극한점이므로, $q \neq p$이고 $q \in E$인 $q \in N_h(p)$가 존재한다. 따라서 $q \in E \cap N_h(p) \subset E \cap N_r(x)$이다. 이는 $E \cap N_r(x) = \emptyset$이라는 가정에 모순이다.
Let $(X,d)$ be a metric space, $E \subset X$, and $N_r(x)$ be a neighborhood in $X$. Assume that $E \cap N_r(x) = \emptyset$. Then $\bar{E} \cap N_r(x) = \emptyset$.
It suffices to show that $E' \cap N_r(x) = \emptyset$, i.e. there is no limit point of $E$ in $N_r(x)$. We use the reduction to absurdity. Assume that there is a limit point $p$ of $E$ in $N_r(x)$. Then $d(p,x) < r$ and define $h := r - d(p,x) > 0$. Following the proof of Theorem 2.33, we can check that $N_h(p) \subset N_r(x)$.
However, since $p$ is a limit point of $E$, there exists a $q \in E$ such that $q \neq p$ and $q \in N_h(p)$. Thus there exists a $q \in E \cap N_h(p) \subset E \cap N_r(x)$. It is contradiction to the assumption that $E \cap N_r(x) = \emptyset$. $\square$
$(X,d)$를 거리 공간, $E \subset X$, $x \in X$라 하자. $x \notin E$이고 $x$가 $E$의 극한점이 아니면, $N_r(x) \cap \bar{E} = \emptyset$인 $r > 0$이 존재한다.
$x \notin E$이고 $x$가 $E$의 극한점이 아니므로, Lem 2.39에 의해 $N_r(x) \cap E = \emptyset$인 $r > 0$이 존재한다. Lem 2.48에 의해 $\bar{E} \cap N_r(x) = \emptyset$.
Let $(X,d)$ be metric space, $E \subset X$, and $x$ be a point in $X$. Assume that $x \notin E$ and $x$ is not a limit point of $E$. Then there exists a $r > 0$ such that $N_r(x) \cap \bar{E} = \emptyset$.
Since $x \notin E$ and $x$ is not a limit point of $E$, by Lemma 2.39, there exists $r > 0$ such that $N_r(x) \cap E = \emptyset$. By Lemma 2.48, $\bar{E} \cap N_r(x) = \emptyset$. $\square$
$X$를 거리 공간, $E \subset X$이면:
(a) $\bar{E}$는 닫혀있다.
(b) $E = \bar{E}$ $\iff$ $E$는 닫혀있다.
(c) 닫힌 집합 $F$에 대해 $E \subset F$이면 $\bar{E} \subset F$.
즉 $\bar{E}$는 $E$를 포함하는 가장 작은 닫힌 집합이다.
(a) Cor 2.41에 의해 $\bar{E}^c$가 열려있음을 보이면 충분하다. $x \in \bar{E}^c$이면 $x \notin \bar{E}$이다. 따라서 $x \notin E$이고 $x \notin E'$이다. Cor 2.49에 의해 $N_r(x) \cap \bar{E} = \emptyset$인 $r > 0$이 존재하므로, $N_r(x) \subset \bar{E}^c$이고 $x$는 $\bar{E}^c$의 내점이다.
(b) ($\Rightarrow$) $E = \bar{E}$이면 (a)에 의해 $E$는 닫혀있다. ($\Leftarrow$) $\bar{E} = E \cup E'$이므로 $E \subset \bar{E}$이다. $E$가 닫혀있으면 $E' \subset E$이고, $\bar{E} = E \cup E' = E$이다.
(c) $E' \subset F$임을 보이면 충분하다. $E \subset F$이면, $E$의 극한점은 $F$의 극한점이기도 하다. 즉 $E' \subset F'$. $F$가 닫혀있으므로 $F' \subset F$이다. 따라서 $E' \subset F' \subset F$.
Let $X$ be a metric space and $E \subset X$. Then:
(a) $\bar{E}$ is closed.
(b) $E = \bar{E}$ iff $E$ is closed.
(c) For every closed set $F$ with $E \subset F$, we have $\bar{E} \subset F$. That is, $\bar{E}$ is the smallest closed set containing $E$.
(a) Due to Corollary 2.41, it suffices to show that $\bar{E}^c$ is open, i.e. for any $x \in \bar{E}^c$, $x$ is an interior point of $\bar{E}^c$. Let $x \in \bar{E}^c$. Then $x \notin \bar{E}$. Thus $x \notin E$ and $x \notin E'$. Therefore by Corollary 2.49, there exists a $r > 0$ such that $N_r(x) \cap \bar{E} = \emptyset$, which implies $N_r(x) \subset \bar{E}^c$ and $x$ is an interior point of $\bar{E}^c$.
(b) First we prove the only if part ($\Rightarrow$). If $E = \bar{E}$, then by (a) $E$ is closed. Next we prove the if part ($\Leftarrow$). Since $\bar{E} = E \cup E'$, obviously $E \subset \bar{E}$. Moreover, if $E$ is closed, then $E' \subset E$. Therefore, if $E$ is closed, then we have $\bar{E} = E$.
(c) It suffices to show that $E' \subset F$ since $E \subset F$. Observe that if $E \subset F$, then any limit point of $E$ is also a limit point of $F$, i.e. $E' \subset F'$. Moreover since $F$ is closed, $F' \subset F$. Therefore, we have $E' \subset F' \subset F$. $\square$
상대적 열림·닫힘 · Relative Topology
$(X, d)$가 거리 공간이고 $Y \subset X$라 하자. REM 2.27에 의해 $(Y, d)$도 거리 공간이다. 부분 공간 $Y$에서의 근방과 열린 집합을 고려할 때, $p \in Y$, $r > 0$에 대해
로 정의하여 $X$에서의 근방 $N_r(p)$와 구분한다. $N_r^Y(p) \subset Y \subset X$이므로 $N_r^Y(p)$는 $X$의 부분집합이지만, $X$에서 열린 집합인지 근방인지는 별도로 확인해야 한다 (EX 2.54 참고).
Let $(X, d)$ be a metric space and $Y \subset X$. By REM 2.27, $(Y, d)$ is also a metric space. For $p \in Y$ and $r > 0$, we write $N_r^Y(p) := \{ q \in Y : d(p, q) < r \}$ to distinguish from the neighborhood $N_r(p)$ in $X$. Since $N_r^Y(p) \subset Y \subset X$, it is natural to ask whether $N_r^Y(p)$ is a neighborhood or open set in $X$ (see EX 2.54).
$(X,d)$를 거리 공간, $Y \subset X$라 하자. $(Y,d)$도 거리 공간이다.
$E \subset Y$가 $Y$에서 열려있다(open relative to $Y$)는 것은 모든 $y \in E$에 대해 $N_r^Y(y) \subset E$인 $r > 0$이 존재하는 것. 즉, $Y$에서의 근방 $N_r^Y(p) = \{q \in Y : d(p,q) < r\}$를 사용.
Let $(X,d)$ be a metric space and $Y \subset X$. We say a set $E$ is open relative to $Y$ if for each $y \in E$, there exists $r > 0$ with $N_r^Y(y) \subset E$.
$(X,d)$를 거리 공간, $Y \subset X$라 하자.
$E \subset Y$가 $Y$에 대해 열려있다 $\iff$ $E = Y \cap G$인 $X$에서 열린 집합 $G$가 존재한다.
($\Rightarrow$) $E \subset Y$이고 $E$가 $Y$에 대해 열려있다고 하자. 각 $y \in E$에 대해 $N_{r_y}^Y(y) \subset E$인 $r_y > 0$이 존재한다. $G := \bigcup_{y \in E} N_{r_y}^X(y)$로 정의하면 ($N_{r_y}^X(y) = \{q \in X : d(y,q) < r_y\}$), Thm 2.43(a)에 의해 $G$는 $X$에서 열려있다. $E \subset G \cap Y$임은 자명하다. 또한 $N_{r_y}^X(y) \cap Y = N_{r_y}^Y(y)$이므로,
따라서 $E = G \cap Y$.
($\Leftarrow$) $G$가 $X$에서 열려있고 $E = G \cap Y$라 하자. $x \in E$이면 $x \in G$이므로 $N_{r_x}^X(x) \subset G$인 $r_x > 0$이 존재한다. $N_{r_x}^X(x) \cap Y = N_{r_x}^Y(x)$이므로, $N_{r_x}^Y(x) \subset G \cap Y = E$. 따라서 $x$는 $E$의 ($Y$에서의) 내점이고, $E$는 $Y$에 대해 열려있다.
$E \subset Y$ is open relative to $Y$ if and only if there exists an open set $G$ relative to $X$ such that $E = Y \cap G$.
($\Rightarrow$) Assume that $E \subset Y$ and $E$ is open relative to $Y$. Then for any $y \in E$, there exists a $r_y > 0$ such that $N_{r_y}^Y(y) \subset E$. Define $G := \bigcup_{y \in E} N_{r_y}^X(y)$ where $N_{r_y}^X(y) := \{q \in X : d(y,q) < r_y\}$. Then by Theorem 2.43(a), $G$ is open in $X$. Obviously, $E \subset G \cap Y$. Moreover, since $N_{r_y}^X(y) \cap Y = N_{r_y}^Y(y)$, we have $G \cap Y = \bigcup_{y \in E}\left(N_{r_y}^X(y) \cap Y\right) = \bigcup_{y \in E} N_{r_y}^Y(y) \subset E$.
($\Leftarrow$) Assume that $G$ is open in $X$ and $E = G \cap Y$. Let $x \in E$. Then since $x \in G$, there exists a $r_x > 0$ such that $N_{r_x}^X(x) \subset G$. Then since $N_{r_x}^X(x) \cap Y = N_{r_x}^Y(x)$, we have $N_{r_x}^Y(x) \subset G \cap Y = E$. Therefore $x$ is an interior point of $E$ in $Y$ and it implies $E$ is open relative to $Y$. $\square$
콤팩트 집합 · Compact Sets
$X$를 거리 공간, $E \subset X$라 하자. $E$의 열린 덮개(open cover)란 $E \subset \bigcup_{\alpha \in A} G_\alpha$를 만족하는 $X$의 열린 집합들의 모임 $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$이다.
An open cover of $E$ is a collection $\{G_\alpha\}$ of open subsets of $X$ such that $E \subset \bigcup G_\alpha$.
$K \subset X$가 콤팩트(compact)란 $K$의 모든 열린 덮개가 유한 부분 덮개를 가지는 것이다.
즉, $K$의 임의의 열린 덮개 $\{G_\alpha\}$에 대해, 유한 개의 $G_{\alpha_1}, \ldots, G_{\alpha_n}$이 존재하여 $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$.
$K \subset X$ is compact if every open cover of $K$ has a finite subcover. That is, for any open cover $\{G_\alpha\}$ of $K$, there exist $\alpha_1,\ldots,\alpha_n$ such that $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$.
$X$를 거리 공간, $E \subset Y \subset X$라 하자.
(i) $E$의 $Y$에 대한 열린 덮개(open cover of $E$ relative to $Y$)란 $Y$에 대해 열린 집합들의 모임 $\{G_\alpha^Y : \alpha \in A\}$로서 $E \subset \bigcup_{\alpha \in A} G_\alpha^Y$를 만족하는 것이다. Thm 2.55에 의해 $G_\alpha^Y$가 $Y$에 대해 열려있을 필요충분조건은 $G_\alpha^Y = G_\alpha \cap Y$인 $X$에서 열린 집합 $G_\alpha$가 존재하는 것이다.
(ii) $K \subset Y$가 $Y$에 대해 콤팩트(compact relative to $Y$)란 $K$의 $Y$에 대한 모든 열린 덮개가 유한 부분 덮개를 가지는 것이다.
Let $X$ be a metric space and $E \subset Y \subset X$.
(i) We call an open cover of $E$ in $Y$ an open cover of $E$ relative to $Y$, i.e. a collection of open sets relative to $Y$ $\{G_\alpha^Y : \alpha \in A\}$ such that $E \subset \bigcup_{\alpha \in A} G_\alpha^Y$. Due to Theorem 2.55, $G_\alpha^Y$ is open relative to $Y$ iff there exists an open set $G_\alpha$ in $X$ such that $G_\alpha^Y = G_\alpha \cap Y$.
(ii) A set $K \subset Y$ is compact relative to $Y$ iff for any open cover of $K$ relative to $Y$, there exists a finite subcover.
$X$가 거리 공간이고 $K \subset Y \subset X$라 하자. 상대성을 명시하지 않고 "$K$가 콤팩트이다"라고 할 때는 관례적으로 전체 공간 $X$에 대해 콤팩트임을 뜻한다. 열린 집합, 닫힌 집합, 열린 덮개 등에도 같은 관례가 적용된다.
Let $X$ be a metric space and $K \subset Y \subset X$. When we say "$K$ is compact" without mentioning relativity, we conventionally mean $K$ is compact relative to the whole space $X$. The same convention applies to open sets, closed sets, and open covers.
$K$는 $X$에 대해 콤팩트 $\iff$ $K$는 $Y$에 대해 콤팩트 ($K \subset Y \subset X$).
($\Rightarrow$) $K$가 $X$에 대해 콤팩트라 하자. $\{G_\alpha^Y : \alpha \in A\}$를 $K$의 $Y$에 대한 열린 덮개라 하면, $K \subset \bigcup G_{\alpha_1}^Y \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}^Y$임을 보여야 한다. Thm 2.55에 의해, 각 $\alpha$에 대해 $G_\alpha^Y = G_\alpha \cap Y$인 $X$에서 열린 $G_\alpha$가 존재한다. $K \subset \bigcup G_\alpha^Y \subset \bigcup G_\alpha$이므로 $\{G_\alpha\}$는 $K$의 $X$에 대한 열린 덮개이다. $K$가 $X$에 대해 콤팩트이므로, $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$인 유한 개의 $\alpha_1, \ldots, \alpha_n$이 존재한다. $K \subset Y$이므로,
($\Leftarrow$) $K$가 $Y$에 대해 콤팩트라 하자. $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$를 $K$의 $X$에 대한 열린 덮개라 하면, $\{G_\alpha \cap Y : \alpha \in A\}$는 $K$의 $Y$에 대한 열린 덮개이다. $K$가 $Y$에 대해 콤팩트이므로, $K \subset (G_{\alpha_1} \cap Y) \cup \cdots \cup (G_{\alpha_n} \cap Y)$인 유한 개의 인덱스가 존재한다. $G_{\alpha_i} \cap Y \subset G_{\alpha_i}$이므로 $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$.
$K$ is compact relative to $X$ if and only if $K$ is compact relative to $Y$ (where $K \subset Y \subset X$).
($\Rightarrow$) Assume $K$ is compact relative to $X$. Let $\{G_\alpha^Y : \alpha \in A\}$ be an open cover of $K$ relative to $Y$. Due to Theorem 2.55, for each $\alpha$, there exist an open set $G_\alpha$ relative to $X$ such that $G_\alpha^Y = G_\alpha \cap Y$. Since $\{G_\alpha^Y\}$ is an open cover of $K$ relative to $Y$, we have $K \subset \bigcup G_\alpha^Y \subset \bigcup G_\alpha$. Thus $\{G_\alpha\}$ is an open cover of $K$ relative to $X$. By the assumption, there exist $\alpha_1,\ldots,\alpha_n$ such that $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$. Therefore, since $K \subset Y$, $K \subset (G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}) \cap Y = G_{\alpha_1}^Y \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}^Y$.
($\Leftarrow$) Assume $K$ is compact relative to $Y$. Let $\{G_\alpha\}$ be an open cover of $K$ relative to $X$. Then $\{G_\alpha \cap Y : \alpha \in A\}$ is an open cover of $K$ relative to $Y$. Since $K$ is compact relative to $Y$, there exist $\alpha_1,\ldots,\alpha_n$ such that $K \subset (G_{\alpha_1} \cap Y) \cup \cdots \cup (G_{\alpha_n} \cap Y)$. Since obviously $G_{\alpha_i} \cap Y \subset G_{\alpha_i}$, we have $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$. $\square$
거리 공간의 콤팩트 부분집합은 닫혀있다.
$K^c$가 열려있음을 보이면 충분하다. $p \in K^c$이면, $p$가 $K^c$의 내점임을 보인다.
임의의 $q \in K$에 대해, $p \neq q$이므로 $d(p,q) > 0$이다. $N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(p)$와 $N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q)$를 생각하면,
$K \subset \bigcup_{q \in K} N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q)$이므로 $\{N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q) : q \in K\}$는 $K$의 열린 덮개이다. $K$가 콤팩트이므로 유한 개의 $q_1, \ldots, q_n \in K$이 존재하여 $K \subset N_{\frac{1}{2}d(p,q_1)}(q_1) \cup \cdots \cup N_{\frac{1}{2}d(p,q_n)}(q_n)$.
$V_p := N_{\frac{1}{2}d(p,q_1)}(p) \cap \cdots \cap N_{\frac{1}{2}d(p,q_n)}(p)$으로 놓으면, $V_p$는 열려있고 (2.3)에 의해 $V_p \cap K = \emptyset$이다. 따라서 $V_p \subset K^c$이고, $p \in V_p$이므로 $p$는 $K^c$의 내점이다.
Let $X$ be a metric space and $K \subset X$. Assume that $K$ is compact. Then $K$ is closed.
It suffices to show that $K^c$ is open. Let $p \in K^c$. It is sufficient to show that $p$ is an interior point of $K^c$. Then for any $q \in K$, $d(p,q) > 0$ since $p \neq q$. For $q \in K$, consider $N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(p)$ and $N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q)$. Then $N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(p) \cap N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q) = \emptyset$ (2.3). Thus obviously $K \subset \bigcup_{q \in K} N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q)$, and thus $\{N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q) : q \in K\}$ is an open cover of $K$. Therefore, since $K$ is compact, there exist $q_1,\ldots,q_n$ such that $K \subset N_{\frac{1}{2}d(p,q_1)}(q_1) \cup \cdots \cup N_{\frac{1}{2}d(p,q_n)}(q_n)$.
Next set $V_p := N_{\frac{1}{2}d(p,q_1)}(p) \cap \ldots \cap N_{\frac{1}{2}d(p,q_n)}(p)$. Then $V_p$ is open and due to (2.3), $V_p \cap (N_{\frac{1}{2}d(p,q_1)}(q_1) \cup \ldots \cup N_{\frac{1}{2}d(p,q_n)}(q_n)) = \emptyset$. Thus since $K \subset N_{\frac{1}{2}d(p,q_1)}(q_1) \cup \ldots \cup N_{\frac{1}{2}d(p,q_n)}(q_n)$, we have $V_p \cap K = \emptyset$ and it implies $V_p \subset K^c$. Moreover, since $V_p$ is open and $p \in V_p$, there exists $N_r(p)$ such that $N_r(p) \subset V_p$. Therefore $p$ is an interior point of $K^c$. $\square$
콤팩트 집합의 닫힌 부분집합은 콤팩트이다. 즉, $F$가 닫혀있고 $K$가 콤팩트이며 $F \subset K$이면 $F$는 콤팩트이다.
$\{V_\alpha : \alpha \in A\}$를 $F$의 열린 덮개라 하자. $F$가 닫혀있으므로 $F^c$는 열려있다. $K \subset X = F \cup F^c \subset \left(\bigcup_{\alpha \in A} V_\alpha\right) \cup F^c$이므로, $\{V_\alpha : \alpha \in A\} \cup \{F^c\}$는 $K$의 열린 덮개이다.
$K$가 콤팩트이므로, $K \subset V_{\alpha_1} \cup \cdots \cup V_{\alpha_n} \cup F^c$인 유한 개의 $\alpha_1, \ldots, \alpha_n$이 존재한다. $F \subset K$이고 $F \cap F^c = \emptyset$이므로, $F \subset V_{\alpha_1} \cup \cdots \cup V_{\alpha_n}$.
즉 $\{V_{\alpha_1}, \ldots, V_{\alpha_n}\}$은 유한 열린 부분 덮개이다. 따라서 $F$는 콤팩트이다.
Let $X$ be a metric space and $F \subset K \subset X$. Assume that $F$ is closed and $K$ is compact. Then $F$ is compact.
Let $\{V_\alpha : \alpha \in A\}$ be an open cover of $F$. Then since $F$ is closed, $F^c$ is open. Since $K \subset X = F \cup F^c \subset \left(\bigcup_{\alpha \in A} V_\alpha\right) \cup F^c$, thus the collection $\{V_\alpha : \alpha \in A\} \cup \{F^c\}$ is an open cover of $K$. Since $K$ is compact, there exist $\alpha_1,\ldots,\alpha_n$ such that $K \subset V_{\alpha_1} \cup \cdots \cup V_{\alpha_n} \cup F^c$. Since $F \subset K$ and $F \cap F^c = \emptyset$, we have $F \subset V_{\alpha_1} \cup \cdots \cup V_{\alpha_n}$. In other words, $\{V_{\alpha_1},\ldots, V_{\alpha_n}\}$ is a finite open cover of $F$. Therefore $F$ is compact. $\square$
$F$가 닫혀있고 $K$가 콤팩트이면, $F \cap K$는 콤팩트이다.
Thm 2.63에 의해 $K$는 닫혀있다. Thm 2.43(b)에 의해 $F \cap K$는 닫혀있다. $F \cap K \subset K$이고 $F \cap K$는 $K$의 닫힌 부분집합이므로, Thm 2.65에 의해 $F \cap K$는 콤팩트이다.
If $F$ is closed and $K$ is compact, then $F \cap K$ is compact.
By Theorem 2.63, $K$ is closed. Thus by Theorem 2.43(b), $F \cap K$ is closed. Since $F \cap K \subset K$, $F \cap K$ is a closed subset of $K$. Therefore by Theorem 2.65, $F \cap K$ is compact. $\square$
$\{K_\alpha : \alpha \in A\}$를 거리 공간 $X$의 콤팩트 부분집합들의 모임이라 하자. 모든 (비어있지 않은) 유한 부분 모임의 교집합이 공집합이 아니면, $\bigcap_{\alpha \in A} K_\alpha \neq \emptyset$이다.
귀류법. $\bigcap_{\alpha \in A} K_\alpha = \emptyset$이라 가정하자. 각 $K_\alpha$에 대해 $G_\alpha := K_\alpha^c$로 놓자. $K_{\alpha_0} \in \{K_\alpha\}$를 하나 고정하자. 가정과 일반화된 드 모르간 법칙에 의해,
따라서 $\{G_\alpha : \alpha \in A - \{\alpha_0\}\}$는 $K_{\alpha_0}$의 열린 덮개이다. $K_{\alpha_0}$가 콤팩트이므로, 유한 집합 $B = \{\alpha_1, \ldots, \alpha_n\}$이 존재하여 $K_{\alpha_0} \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$.
드 모르간 법칙에 의해 $G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n} = (K_{\alpha_1} \cap \cdots \cap K_{\alpha_n})^c$이므로, $K_{\alpha_0} \cap K_{\alpha_1} \cap \cdots \cap K_{\alpha_n} = \emptyset$. 이는 유한 부분 모임의 교집합이 공집합이 아니라는 가정에 모순이다.
Let $\{K_\alpha : \alpha \in A\}$ be a collection of compact subsets of a metric space $X$. Assume that the intersection of every (non-empty) finite subcollection of $\{K_\alpha\}$ is nonempty. Then $\bigcap_{\alpha \in A} K_\alpha \neq \emptyset$.
We use the reduction to absurdity. Assume that $\bigcap_{\alpha \in A} K_\alpha = \emptyset$. For each $K_\alpha$, put $G_\alpha := K_\alpha^c$. Fix $K_{\alpha_0} \in \{K_\alpha : \alpha \in A\}$. Then due to the assumption and the generalization of De Morgan's law, $K_{\alpha_0} \subset \left(\bigcap_{\alpha \in A - \{\alpha_0\}} K_\alpha\right)^c = \bigcup_{\alpha \in A - \{\alpha_0\}} G_\alpha$.
Thus $\{G_\alpha : \alpha \in A - \{\alpha_0\}\}$ is an open cover of $K_{\alpha_0}$. Since $K_{\alpha_0}$ is compact, there exist a finite set $B = \{\alpha_1,\ldots,\alpha_n\}$ such that $K_{\alpha_0} \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$. By De Morgan's law, $G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n} = (K_{\alpha_1} \cap \cdots \cap K_{\alpha_n})^c$. Therefore, we have $K_{\alpha_0} \cap K_{\alpha_1} \cap \cdots \cap K_{\alpha_n} = \emptyset$ and it is contradiction to our assumption that every finite subcollection of $\{K_\alpha\}$ is nonempty. $\square$
$K_1 \supset K_2 \supset \cdots$가 공집합이 아닌 콤팩트 집합들의 수열이면, $\bigcap_{n=1}^{\infty} K_n \neq \emptyset$.
Let $K_1, K_2, \ldots$ be a sequence of nonempty compact sets such that $K_n \supset K_{n+1}$. Then $\bigcap K_n \neq \emptyset$.
콤팩트 집합 $K$의 무한 부분집합 $E$는 $K$ 안에 극한점을 가진다.
귀류법. $E$의 극한점이 $K$ 안에 없다고 가정하자. 각 $q \in K$에 대해, $N_{r_q}(q) \cap E = \emptyset$ 또는 $N_{r_q}(q) \cap E = \{q\}$인 근방 $N_{r_q}(q)$가 존재한다.
$K \subset \bigcup_{q \in K} N_{r_q}(q)$이므로 $\{N_{r_q}(q) : q \in K\}$는 $K$의 열린 덮개이다. $K$가 콤팩트이므로, $K \subset N_{r_{q_1}}(q_1) \cup \cdots \cup N_{r_{q_n}}(q_n)$인 유한 개의 $q_1, \ldots, q_n \in K$이 존재한다.
$E \subset K$이므로, $E \subset K \cap E \subset \left(N_{r_{q_1}}(q_1) \cup \cdots \cup N_{r_{q_n}}(q_n)\right) \cap E$. $N_{r_q}(q) \cap E = \emptyset$ 또는 $\{q\}$이므로, $E \subset \{q_1, \ldots, q_n\}$. 이는 $E$가 무한이라는 가정에 모순이다.
Let $E$ be an infinite subset of a compact set $K$. Then $E$ has a limit point in $K$.
We use the reduction to absurdity. Assume that there is no limit point of $E$ in $K$. Then for each $q \in K$, there exists a neighborhood $N_{r_q}(q)$ such that $N_{r_q}(q) \cap E = \emptyset$ or $N_{r_q}(q) \cap E = \{q\}$. Obviously, $K \subset \bigcup_{q \in K} N_{r_q}(q)$. Thus the collection $\{N_{r_q}(q) : q \in K\}$ is an open cover of $K$. Since $K$ is compact, there exists $q_1,\ldots,q_n \in K$ such that $K \subset N_{r_{q_1}}(q_1) \cup \cdots \cup N_{r_{q_n}}(q_n)$.
Since $E \subset K$, $E \subset K \cap E \subset \left(N_{r_{q_1}}(q_1) \cup \cdots \cup N_{r_{q_n}}(q_n)\right) \cap E$. Finally, since $N_{r_q}(q) \cap E = \emptyset$ or $N_{r_q}(q) \cap E = \{q\}$, we have $E \subset \{q_1,\ldots,q_n\}$ and it is contradiction to the assumption that $E$ is infinite. $\square$
$I_1, I_2, \ldots$가 $\mathbb{R}$의 닫힌 구간의 수열이고 $I_n \supset I_{n+1}$이면, $\bigcap_{n=1}^{\infty} I_n \neq \emptyset$.
각 $I_n$은 닫힌 구간이므로 $I_n = [a_n, b_n]$ ($a_n \leq b_n$)이다. $E = \{a_n : n \in \mathbb{N}\}$으로 정의하자.
$I_n \supset I_{n+1}$이므로, 모든 양의 정수 $n, m$에 대해 $[a_{n+m}, b_{n+m}] \subset [a_n, b_n]$, 즉 $a_n \leq a_{n+m} \leq b_{n+m} \leq b_n$. 특히 모든 $n, m \in \mathbb{N}$에 대해 $a_n \leq b_m$이다.
따라서 모든 $m \in \mathbb{N}$에 대해 $b_m$은 $E$의 상계이다. $\mathbb{R}$의 최소상계 성질에 의해 $\sup E$가 존재한다.
$a_n \in E$이므로 $a_n \leq \sup E$ for all $n$. 또한 각 $b_n$은 $E$의 상계이므로 $\sup E \leq b_n$ for all $n$. 따라서 $a_n \leq \sup E \leq b_n$ for all $n$, 즉 $\sup E \in [a_n, b_n] = I_n$ for all $n$.
Let $I_1, I_2, \ldots$ be a sequence of closed intervals in $\mathbb{R}$. Assume that $I_n \supset I_{n+1}$ for all $n \in \mathbb{N}$. Then $\bigcap I_n \neq \emptyset$.
Since each $I_n$ is a closed interval, there exist $a_n \leq b_n$ such that $I_n = [a_n, b_n]$. Define $E = \{a_n : n \in \mathbb{N}\}$. Due to the assumption that $I_n \supset I_{n+1}$, for all positive integers $n, m$ we have $a_n \leq a_{n+m} \leq b_{n+m} \leq b_n$. In particular, $a_n \leq b_m$ for all $n, m \in \mathbb{N}$.
Hence for all $m \in \mathbb{N}$, $b_m$ is an upper bound of $E$ and by the least upper bound property of $\mathbb{R}$, there exists $\sup E$. Since each $a_n \in E$, obviously $a_n \leq \sup E$ for all $n \in \mathbb{N}$. Moreover, since each $b_n$ is an upper bound of $E$, we have $\sup E \leq b_n$ for all $n \in \mathbb{N}$. Therefore, $a_n \leq \sup E \leq b_n$ for all $n$ and it implies $\sup E \in [a_n, b_n] = I_n$ for all $n \in \mathbb{N}$. $\square$
$k \in \mathbb{N}$이고 $I_1, I_2, \ldots$가 $k$-cell들의 수열이며 $I_n \supset I_{n+1}$이면, $\bigcap_{n=1}^{\infty} I_n \neq \emptyset$.
각 $I_n$은 $k$-cell이므로, $I_n = [a_{n,1}, b_{n,1}] \times [a_{n,2}, b_{n,2}] \times \cdots \times [a_{n,k}, b_{n,k}]$이다. 각 $j = 1, 2, \ldots, k$에 대해 $I_{n,j} := [a_{n,j}, b_{n,j}]$로 정의하면, $I_n = I_{n,1} \times I_{n,2} \times \cdots \times I_{n,k}$이다.
$I_n \supset I_{n+1}$이므로, 각 $j$에 대해 $I_{n,j} \supset I_{n+1,j}$이다. Thm 2.73에 의해, 각 $j = 1, \ldots, k$에 대해
이므로 $x_j^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_{n,j}$를 택할 수 있다. $x^* = (x_1^*, \ldots, x_k^*)$로 놓으면, $x^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_n$.
Let $k \in \mathbb{N}$ and $I_1, I_2, \ldots$ be a sequence of $k$-cells. Assume that $I_n \supset I_{n+1}$ for all $n \in \mathbb{N}$. Then $\bigcap I_n \neq \emptyset$.
Since each $I_n$ is a $k$-cell, there exist real numbers $a_{n,j} \leq b_{n,j}$ such that $I_n = [a_{n,1}, b_{n,1}] \times [a_{n,2}, b_{n,2}] \times \cdots \times [a_{n,k}, b_{n,k}]$. For each $n \in \mathbb{N}$ and $j = 1,2,\ldots,k$, we define $I_{n,j} := [a_{n,j}, b_{n,j}]$. Then $I_n = I_{n,1} \times I_{n,2} \times \cdots \times I_{n,k}$.
Moreover, due to the assumption $I_n \supset I_{n+1}$, for each $j$, we have $I_{n,j} \supset I_{n+1,j}$ for all $n \in \mathbb{N}$. Thus by Theorem 2.73, for each $j = 1,\ldots,k$, $\bigcap_{n=1}^{\infty} I_{n,j} \neq \emptyset$ and we can choose $x_j^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_{n,j}$. Set $x^* = (x_1^*,\ldots,x_k^*)$. Then $x^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_n$ and it implies that $\bigcap I_n \neq \emptyset$. $\square$
모든 $k$-cell은 콤팩트이다.
$I$를 $k$-cell이라 하자. $I = [a_1, b_1] \times \cdots \times [a_k, b_k]$이다. $\delta = \left(\sum_{j=1}^{k}(b_j - a_j)^2\right)^{1/2}$로 놓으면 $|x - y| \leq \delta$ for all $x, y \in I$.
귀류법. $I$가 콤팩트가 아니라 가정하면, 유한 부분 덮개를 갖지 않는 열린 덮개 $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$가 존재한다.
각 $j = 1, \ldots, k$에 대해 $c_j = (a_j + b_j)/2$로 놓고, $[a_j, c_j]$와 $[c_j, b_j]$로 분할한다. 그러면 $I$는 $2^k$개의 $k$-cell로 나뉘고, 이 중 적어도 하나는 $\{G_\alpha\}$의 유한 부분 덮개로 덮이지 않는다. 이를 $I_1$이라 하자. $I \supset I_1$이고, $|x - y| \leq \delta/2$ for all $x, y \in I_1$.
같은 방법으로 $I_1$을 분할하여 $I_2$를 얻고, 귀납적으로 $I \supset I_1 \supset I_2 \supset \cdots$인 $k$-cell 수열을 얻는다. 각 $I_n$은 $\{G_\alpha\}$의 유한 부분 덮개로 덮이지 않고, $|x - y| \leq \delta / 2^n$ for all $x, y \in I_n$.
Thm 2.75에 의해 $x^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_n$가 존재한다. $\{G_\alpha\}$가 $I$의 열린 덮개이므로 $x^* \in G_\alpha$인 $G_\alpha$가 존재하고, $G_\alpha$가 열려있으므로 $N_r(x^*) \subset G_\alpha$인 $r > 0$이 존재한다.
$2^{-n}\delta < r$이 되도록 충분히 큰 $n$을 택하면, $x^* \in I_n$이므로 모든 $y \in I_n$에 대해 $|x^* - y| \leq \delta/2^n < r$, 즉 $I_n \subset N_r(x^*) \subset G_\alpha$. 이는 $I_n$이 유한 부분 덮개로 덮이지 않는다는 사실에 모순이다.
Every $k$-cell is compact.
Let $I$ be a $k$-cell. Then by the definition, there exist $a_j \leq b_j$ ($j = 1,\ldots,k$) such that $I = [a_1, b_1] \times \cdots \times [a_k, b_k]$. Put $\delta = \left(\sum_{j=1}^{k}(b_j - a_j)^2\right)^{1/2}$. Then obviously $|x - y| \leq \delta$ for all $x, y \in I$.
We use the reduction to absurdity. Assume that $I$ is not compact. Then there exists an open cover $\{G_\alpha : \alpha \in A\}$ of $I$ which does not have a finite subcover of $I$. For $j = 1,\ldots,k$, put $c_j = (a_j + b_j)/2$. By subdividing each interval into $[a_j, c_j]$ and $[c_j, b_j]$, $I$ is divided into $2^k$ $k$-cells. Since $\{G_\alpha\}$ does not have a finite subcover of $I$, there exist a $k$-cell $I_1$ such that $I \supset I_1$, $I_1$ is not covered by any finite subcollection of $\{G_\alpha\}$, and $|x - y| \leq \delta/2$ for all $x, y \in I_1$.
Inductively, we can find $I_1, I_2, I_3, \ldots$ such that $I \supset I_1 \supset I_2 \supset I_3 \supset \cdots$, $I_n$ is not covered by any finite subcollection of $\{G_\alpha\}$, and $|x - y| \leq \delta/2^n$ for all $x, y \in I_n$, for all $n \in \mathbb{N}$.
By Theorem 2.75, there exists $x^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_n$. Thus $x^* \in I_n$ for all $n \in \mathbb{N}$. Since $\{G_\alpha\}$ is an open cover of $I$, there exists $G_\alpha$ such that $x^* \in G_\alpha$. Since $G_\alpha$ is an open set, there exists a neighborhood $N_r(x^*)$ such that $N_r(x^*) \subset G_\alpha$. Choose a $n \in \mathbb{N}$ large enough so that $2^{-n}\delta < r$. Then since $x^* \in I_n$, $|x^* - y| \leq \delta/2^n < r$ for all $y \in I_n$. Thus $I_n \subset N_r(x^*) \subset G_\alpha$. It is contradiction to the fact that $I_n$ is not covered by any finite subcollection of $\{G_\alpha\}$. $\square$
극한점과 수열 · Limit Points & Sequences in $\mathbb{R}^k$
$k \in \mathbb{N}$, $E \subset \mathbb{R}^k$, $x \in \mathbb{R}^k$이라 하자. 상수 $\epsilon > 0$이 존재하여 모든 $z \in E$에 대해 $|x - z| \geq \epsilon$이면, $x$는 $E$의 극한점이 아니다.
Let $k \in \mathbb{N}$, $E \subset \mathbb{R}^k$, and $x \in \mathbb{R}^k$. Assume there exists $\epsilon > 0$ such that $|x - z| \geq \epsilon$ for all $z \in E$. Then $x$ is not a limit point of $E$.
$k \in \mathbb{N}$, $E_1 \subset \mathbb{R}^k$, $E_2 \subset \mathbb{R}^k$, $E = E_1 \cup E_2$이고 $x$가 $E$의 극한점이라 하자. $E_1$이 유한이면, $x$는 $E_2$의 극한점이다.
Let $E = E_1 \cup E_2$, $x$ a limit point of $E$. If $E_1$ is finite, then $x$ is a limit point of $E_2$.
$(X,d)$를 거리 공간, $E \subset \mathbb{R}^k$, $x$가 $E$의 극한점이라 하자.
그러면 $E$ 안에 수열 $x_1, x_2, \ldots$가 존재하여 $x_i \neq x_j$ ($i \neq j$)이고 $|x - x_n| < 1/n$ ($\forall n$).
또한 집합 $S = \{x_1, x_2, \ldots\}$의 극한점이 $y$이면 $x = y$이다.
Let $k \in \mathbb{N}$, $E \subset \mathbb{R}^k$, and $x$ a limit point of $E$. Then there exists a sequence $x_1, x_2, \ldots$ such that $x_i \neq x_j$ for $i \neq j$, $x_n \in E$, and $|x - x_n| < 1/n$ for all $n$.
Moreover, if $S = \{x_1,x_2,\ldots\}$ has a limit point $y$, then $x = y$.
$k \in \mathbb{N}$이고 $\mathbb{R}^k$에서의 수열 $x_1, x_2, \ldots$가 $|x_n| > n$ ($\forall n$)을 만족하면, 집합 $S = \{x_1, x_2, \ldots\}$는 $\mathbb{R}^k$에서 극한점을 갖지 않는다.
Let $k \in \mathbb{N}$ and $x_1, x_2, \ldots$ be a sequence in $\mathbb{R}^k$ with $|x_n| > n$ for all $n$. Then $S = \{x_1,x_2,\ldots\}$ has no limit point in $\mathbb{R}^k$.
(하이네-보렐 정리) $k \in \mathbb{N}$이고 $E \subset \mathbb{R}^k$이면, 다음 세 조건은 동치이다:
(a) $E$는 닫혀있고 유계
(b) $E$는 콤팩트
(c) $E$의 모든 무한 부분집합은 $E$ 안에 극한점을 가진다
(Heine-Borel Theorem) Let $k \in \mathbb{N}$ and $E \subset \mathbb{R}^k$. The following three properties are equivalent:
(a) $E$ is closed and bounded
(b) $E$ is compact
(c) Every infinite subset of $E$ has a limit point in $E$
(바이어슈트라스 정리) $k \in \mathbb{N}$이고 $E \subset \mathbb{R}^k$가 유계인 무한집합이면, $E$는 $\mathbb{R}^k$에서 극한점을 가진다.
(Weierstrass Theorem) Let $k \in \mathbb{N}$ and $E \subset \mathbb{R}^k$. Assume that $E$ is bounded and infinite. Then $E$ has a limit point in $\mathbb{R}^k$.