数学

开集的构造

在实变函数和点集拓扑中,开集总是能表示为较为简单的集合的并。

一维开集的结构表示

构成区间

设 G 是非空有界开集,任取 x_0 \in G,如果区间 (\alpha, \beta) \in G,且满足:

  • (\alpha, \beta) \subset G;
  • \alpha, \beta \notin G; 则称 (\alpha, \beta) 是 G 的 构成区间

开集的结构表示

开集的一个重要性质:

定理

实数集上的非空有界开集 G 可表示为至多可列个不相交区间的并:

G = \bigcup_{k} \left(\alpha_k, \beta_k \right).

上述分解称为 G 的结构表示。显然一个开集的结构表示是唯一的。

高维开集的结构表示

半闭正方形

形如 [x_1, x_1 + h) \times \cdots \times [x_n, x_n + h) 的集合,称为半闭正方形。

高维开集的结构表示

高维开集可以表示为一些半闭正方形的并,但这种表示方法没有唯一性。

定理

\mathbb{R}^n 上的非空有界开集 G 可表示为至多可列个不相交半闭正方形的并:

G = \bigcup_{k} Q_k

当 n = 1 时,这相当于用至多可列个半开半闭区间 [a, b) (或者 (a, b])来表示一个直线上的开集。显然这没有唯一性,因为对于构成区间 (a, b),取 (a, b) 中一列趋于 n 的严格递增序列 a < x_1 < x_2 < \cdots \to b,令 x_0 = a,则构成区间可以表示为

(a, b) = (a, x_1] \cup (x_1, x_2] \cup \cdots =\bigcup_{i = 1}^{\infty} (x_{i - 1}, x_i].

将所有的构成区间用上述方法表示为可列个区间之并,注意可列个可列集之并仍然可列,因此开集就表示为了可列个半开半闭区间之并。由于严格递增序列可以任取,这种表示方法并没有唯一性。

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