유한, 가산, 비가산 집합 · Finite, Countable, Uncountable Sets

DEF 2.1 대등 Cardinality / Equivalence
한국어

$A$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 $A \sim C$

English (Lecture Note)

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 $A \sim C$

DEF 2.3 유한·가산·비가산 Countable / Uncountable
한국어

$\mathbb{N}$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)

English (Lecture Note)

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

REM 2.7 가산과 기껏해야 가산 Convention
한국어

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.

English (Lecture Note)

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.

EXAM 2.9 $\mathbb{Z}$는 가산이다 Integers are Countable
한국어

$\mathbb{Z}$를 정수 전체의 집합이라 하자. 각 $n \in \mathbb{N}$에 대해 다음을 정의한다:

$$f(n) = \begin{cases} \dfrac{n}{2} & n \text{이 짝수} \\[4pt] -\dfrac{n-1}{2} & n \text{이 홀수} \end{cases}$$

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.

English (Lecture Note)

Let $\mathbb{Z}$ be the integers. For $n \in \mathbb{N}$, define

$$f(n) = \begin{cases} n/2 & \text{if } n \text{ even} \\ -(n-1)/2 & \text{if } n \text{ odd.} \end{cases}$$

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.

REM 2.10 무한 집합과 자기 자신의 진부분집합
한국어

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.

English (Lecture Note)

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.

DEF 2.11 수열 Sequence
한국어

$\mathbb{N}$ 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 (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.

English (Lecture Note)

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.

REM 2.12 가산 집합의 수열 표현
한국어

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

$$A = \{x_n\},\quad A = \{x_n : n \in \mathbb{N}\},\ \text{또는}\ A = \{x_1, x_2, \ldots\}$$

로 쓸 수 있으며, $i \neq j$이면 $x_i \neq x_j$이다.

English (Lecture Note)

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 $i \neq j$.

THM 2.13 가산 집합의 무한 부분집합은 가산
한국어

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.

English (Lecture Note)

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 $E$. $\square$

REM 2.14 가산 집합의 부분집합
한국어

자명하게도 THM 2.13은 "가산 집합의 모든 부분집합은 기껏해야 가산"임을 말한다. (유한 부분집합이거나 무한 부분집합이며, 후자의 경우 THM 2.13에 의해 가산.)

English (Lecture Note)

Obviously, THM 2.13 says every subset of a countable set is at most countable.

DEF 2.16 첨자 집합, 집합족, 합집합, 교집합 Index Set, Collection of Sets, Union, Intersection
한국어

$A$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:

$$\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha := \{x \in \Omega : \text{어떤 } \alpha \in A \text{에 대해 } x \in E_\alpha\}$$

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:

$$\bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha := \{x \in \Omega : \text{모든 } \alpha \in A \text{에 대해 } x \in E_\alpha\}$$
English (Lecture Note)

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 $\alpha \in A$:

$$\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha := \{x \in \Omega : x \in E_\alpha \text{ for some } \alpha \in A\}$$

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 $\alpha \in A$:

$$\bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha := \{x \in \Omega : x \in E_\alpha \text{ for all } \alpha \in A\}$$
THM 2.17 가산 집합들의 가산 합집합
한국어

$\{E_n\}$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:

$$x_{11};\; x_{21}, x_{12};\; x_{31}, x_{22}, x_{13};\; x_{41}, x_{32}, x_{23}, x_{14};\; \ldots$$

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

COR 2.18 기껏해야 가산인 집합들의 합집합
한국어

$A$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.

English (Lecture Note)

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.

THM 2.21 가산 집합의 $n$-tuple
한국어

$A$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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

COR 2.22 $\mathbb{Q}$는 가산
한국어

$\mathbb{Q}$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.

English (Lecture Note)

$\mathbb{Q}$ 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. $\square$

THM 2.23 Cantor의 대각선 논법
한국어

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.

English (Lecture Note)

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

REM 2.24 Cantor의 대각선 논법 Cantor's Diagonal Process
한국어

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.

English (Lecture Note)

The method of constructing $\tilde{x}$ in the proof of THM 2.23 is called Cantor's diagonal process.

DEF 2.26 거리 공간 Metric Space
한국어

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.

English (Lecture Note)

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.

REM 2.27 부분집합도 거리 공간
한국어

$(X, d)$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.)

English (Lecture Note)

Let $(X,d)$ be a metric space. Then any subset of $X$ is also a metric space with the metric $d$.

EXAM 2.28 유클리드 공간 $\mathbb{R}^k$ Standard Metric
한국어

거리 공간의 가장 중요한 예는 유클리드 공간 $\mathbb{R}^k$ (DEF 1.32 참고)이다. $\mathbb{R}^k$의 거리를

$$d(x, y) = |x - y|,\qquad \forall x, y \in \mathbb{R}^k$$

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.

English (Lecture Note)

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

$$d(x,y) = |x - y|\qquad \forall x, y \in \mathbb{R}^k.$$

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 $\mathbb{R}^k$.

DEF 2.29 구간, 셀, 공, 볼록 Segments, Cells, Balls, Convex
한국어

(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 $x,y \in E$, $0 < \lambda < 1$.

English (Lecture Note)

(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

DEF 2.31 근방, 극한점, 내점, 열림, 닫힘 Neighborhood, Limit Point, Open, Closed
한국어

$(X,d)$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.

English (Lecture Note)

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).

THM 2.33 모든 근방은 열린 집합
한국어

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

THM 2.34 극한점의 근방에는 무한히 많은 점
한국어

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

THM 2.35 유한 부분집합의 성질
한국어

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

EXAM 2.36 $E = \{1/n\}$의 위상적 성질
한국어

$\mathbb{R}$의 부분집합을 생각하자:

$$E := \left\{ \frac{1}{n} \in \mathbb{R} : n \in \mathbb{N} \right\}.$$

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.)

English (Lecture Note)

Consider the subset of $\mathbb{R}$

$$E := \left\{ \frac{1}{n} \in \mathbb{R} : n \in \mathbb{N} \right\}.$$

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.)

EXAM 2.38 $\mathbb{R}$에서는 열림, $\mathbb{R}^2$에서는 아님
한국어

$E_1 := (a, b)$, $E_2 := (a, b) \times \{0\}$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

$$(a, b) = N_r(p),\quad p = \frac{a+b}{2},\ r = b - \frac{a+b}{2} = \frac{b-a}{2}.$$

(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.)

English (Lecture Note)

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.)

LEM 2.39 $E$와 분리되는 근방
한국어

$(X,d)$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, $N_r(x) \cap E = \emptyset$.

English (Lecture Note)

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 $N_r(x) \cap E = \emptyset$. $\square$

THM 2.40 열림 $\iff$ 여집합 닫힘
한국어

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 $N_r(x) \subset E$.

English (Lecture Note)

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 $N_r(x) \subset E$. $\square$

COR 2.41 닫힘 $\iff$ 여집합 열림
한국어

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

LEM 2.42 일반화된 드 모르간 법칙
한국어

(일반화된 드 모르간 법칙) $A$를 첨자 집합이라 하고 각 $\alpha \in A$에 대해 집합 $E_\alpha$가 주어지면:

$$\text{(a)}\quad\left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c = \bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha^c$$
$$\text{(b)}\quad\left(\bigcap_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c = \bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha^c$$

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, $x \in \left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c$.

English (Lecture Note)

(Generalization of De Morgan's law) For any index set $A$ and collection $\{E_\alpha : \alpha \in A\}$:

$$\text{(a)}\;\left(\bigcup E_\alpha\right)^{\!c} = \bigcap E_\alpha^c, \qquad \text{(b)}\;\left(\bigcap E_\alpha\right)^{\!c} = \bigcup E_\alpha^c$$

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 $x \in \left(\bigcup_{\alpha \in A} E_\alpha\right)^c$. $\square$

THM 2.43 열린/닫힌 집합의 합집합·교집합
한국어

(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.

English (Lecture Note)

(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. $\square$

THM 2.45 열린 집합의 가산 교집합 반례
한국어

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.

English (Lecture Note)

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.

DEF 2.47 폐포 Closure
한국어

$(X,d)$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.

English (Lecture Note)

(a) By $E'$ we denote the set of all limit points of $E$ in $X$.

(b) The closure of $E$ is defined as $\bar{E} = E \cup E'$.

LEM 2.48 근방과 극한점 집합
한국어

$(X,d)$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.

English (Lecture Note)

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 $E \cap N_r(x) = \emptyset$. $\square$

COR 2.49 폐포와 분리되는 근방
한국어

$(X,d)$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 $\bar{E} \cap N_r(x) = \emptyset$.

English (Lecture Note)

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, $\bar{E} \cap N_r(x) = \emptyset$. $\square$

THM 2.51 폐포의 성질
한국어

$X$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 $E' \subset F' \subset F$.

English (Lecture Note)

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

REM 2.52 부분 공간에서의 근방 $N_r^Y(p)$
한국어

$(X, d)$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

$$N_r^Y(p) := \{ q \in Y : d(p, q) < r \}$$

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).

English (Lecture Note)

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).

DEF 2.53 상대적 열림 Open Relative to Y
한국어

$(X,d)$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.

English (Lecture Note)

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 $N_r^Y(y) \subset E$.

THM 2.55 상대적 열림의 특성화
한국어

$(X,d)$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,

$$G \cap Y = \bigcup_{y \in E}\left(N_{r_y}^X(y) \cap Y\right) = \bigcup_{y \in E} N_{r_y}^Y(y) \subset E$$

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.

English (Lecture Note)

$E \subset Y$ 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

DEF 2.57 열린 덮개 Open Cover
한국어

$X$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.

English (Lecture Note)

An open cover of $E$ is a collection $\{G_\alpha\}$ of open subsets of $X$ such that $E \subset \bigcup G_\alpha$.

DEF 2.58 콤팩트 Compact
한국어

$K \subset X$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 $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$.

English (Lecture Note)

$K \subset X$ 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 $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$.

DEF 2.59 $Y$에 대한 열린 덮개, 상대적 콤팩트 Open Cover Relative to Y, Compact Relative to Y
한국어

$X$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.

English (Lecture Note)

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.

REM 2.60 "콤팩트"의 관용적 의미
한국어

$X$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.

English (Lecture Note)

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.

THM 2.62 상대적 콤팩트
한국어

$K$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,

$$K \subset (G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}) \cap Y = G_{\alpha_1}^Y \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}^Y$$

($\Leftarrow$) $K$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 $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$.

English (Lecture Note)

$K$ 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 $K \subset G_{\alpha_1} \cup \cdots \cup G_{\alpha_n}$. $\square$

THM 2.63 콤팩트이면 닫혀있다
한국어

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,

$$N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(p) \cap N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q) = \emptyset \tag{2.3}$$

$K \subset \bigcup_{q \in K} N_{\frac{1}{2}d(p,q)}(q)$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.

English (Lecture Note)

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 $K^c$. $\square$

THM 2.65 콤팩트의 닫힌 부분집합은 콤팩트
한국어

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

COR 2.66 $F \cap K$는 콤팩트
한국어

$F$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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

THM 2.67 유한 교집합 성질
한국어

$\{K_\alpha : \alpha \in A\}$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,

$$K_{\alpha_0} \subset \left(\bigcap_{\alpha \in A - \{\alpha_0\}} K_\alpha\right)^c = \bigcup_{\alpha \in A - \{\alpha_0\}} G_\alpha$$

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

COR 2.70 감소하는 콤팩트 집합의 교집합
한국어

$K_1 \supset K_2 \supset \cdots$가 공집합이 아닌 콤팩트 집합들의 수열이면, $\bigcap_{n=1}^{\infty} K_n \neq \emptyset$.

English (Lecture Note)

Let $K_1, K_2, \ldots$ be a sequence of nonempty compact sets such that $K_n \supset K_{n+1}$. Then $\bigcap K_n \neq \emptyset$.

THM 2.72 콤팩트 집합의 무한 부분집합은 극한점을 가진다
한국어

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.

English (Lecture Note)

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. $\square$

THM 2.73 축소 구간 정리
한국어

$I_1, I_2, \ldots$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 $n$.

$$\sup E \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_n$$
English (Lecture Note)

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 $n \in \mathbb{N}$. $\square$

THM 2.75 축소 $k$-cell 정리
한국어

$k \in \mathbb{N}$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

$$\bigcap_{n=1}^{\infty} I_{n,j} \neq \emptyset$$

이므로 $x_j^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_{n,j}$를 택할 수 있다. $x^* = (x_1^*, \ldots, x_k^*)$로 놓으면, $x^* \in \bigcap_{n=1}^{\infty} I_n$.

English (Lecture Note)

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 $\bigcap I_n \neq \emptyset$. $\square$

THM 2.76 모든 $k$-cell은 콤팩트
한국어

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.

English (Lecture Note)

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 $\mathbb{R}^k$

LEM 2.77 극한점이 아닌 조건
한국어

$k \in \mathbb{N}$, $E \subset \mathbb{R}^k$, $x \in \mathbb{R}^k$이라 하자. 상수 $\epsilon > 0$이 존재하여 모든 $z \in E$에 대해 $|x - z| \geq \epsilon$이면, $x$는 $E$의 극한점이 아니다.

English (Lecture Note)

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 $E$.

LEM 2.78 유한 합집합과 극한점
한국어

$k \in \mathbb{N}$, $E_1 \subset \mathbb{R}^k$, $E_2 \subset \mathbb{R}^k$, $E = E_1 \cup E_2$이고 $x$가 $E$의 극한점이라 하자. $E_1$이 유한이면, $x$는 $E_2$의 극한점이다.

English (Lecture Note)

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 $E_2$.

THM 2.80 극한점과 수렴 수열
한국어

$(X,d)$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.

English (Lecture Note)

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 $x = y$.

LEM 2.83 발산 수열은 극한점이 없다
한국어

$k \in \mathbb{N}$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.

English (Lecture Note)

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 $\mathbb{R}^k$.

THM 2.84 하이네-보렐 정리 Heine-Borel Theorem
한국어

(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

English (Lecture Note)

(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 $E$

THM 2.86 바이어슈트라스 정리 Weierstrass Theorem
한국어

(바이어슈트라스 정리) $k \in \mathbb{N}$이고 $E \subset \mathbb{R}^k$가 유계인 무한집합이면, $E$는 $\mathbb{R}^k$에서 극한점을 가진다.

English (Lecture Note)

(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 $\mathbb{R}^k$.