閉球套定理(closed ball nest theorem)對度量空間的完備性的一種刻畫。 歐氏空間中許多結論均依賴於空間的完備性,如直線上的閉區間套定理,平面內的閉矩形套定理等,在完備的距離空間中,許多與歐氏空間情形類似的結論仍然成立。
基本介紹
- 中文名:閉球套定理
- 外文名:closed ball nest theorem
- 所屬學科:數學
- 性質:對度量空間的完備性的一種刻畫
- 相關概念:完備度量空間,開球,閉球等
基本介紹,定理的證明,相關結論,
基本介紹
定義1 設是距離空間,,
稱為以為中心,為半徑的開球。
稱為以為中心,為半徑的閉球。
閉球套定理 設是完備的距離空間,是一列閉球
如果球的半徑,則存在唯一的點。
定理的證明
證明: 由命題的條件,不難看到球心組成的序列是一個Cauchy列。事實上,對任意n,m,若n≥m,則由得
由此立得是一個Cauchy列,由X是完備的知存在,使得,在不等式
中,固定m並令得,這說明,故。
若另有,且,則對任意n,有
由不等式
及立得,從而,這就得到矛盾,所以必是單點集。證畢。
相關結論
在直線上的閉區間套定理中,即使區間的長度不趨於0,所有區間的交仍然是非空的。然而,在一般距離空間中,即使空間是完備的,假如閉球套的半徑不趨於0,則其交可能是空集。
從直線上Cauchy準則與閉區間套定理的等價性,人們自然會提出這樣的問題:
在距離空間中,閉球套定理與空間的完備性是否等價?
答案是肯定的。事實上,假設在距離空間中閉球套定理成立,為證空間的完備性,假設是X中的Cauchy列,於是存在正整數列,使得當時,
作閉球,則對任意,由
知,故是一個閉球套,於是存在唯一的。由知,又由
立得,即在X中收斂,從而完備。