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第 8 章:连续像为什么紧致,连续函数为什么能取到极值
你问的是为什么:
这是数学分析中的连续映射保持紧致性定理(Continuous Image of a Compact Set Is Compact)。
这个定理其实可以从两个更基础的性质直接证明:
- 紧致性:在有限维欧氏空间中,紧集里的任意序列,都能找到一个收敛到该集合内部某点的子序列。
- 连续性:如果
,那么
。
把这两个性质结合起来,就能完成证明。
一、先证明连续映射后的集合仍然紧致
设:
其中 是紧集,
是连续函数。
我们希望证明:
仍然是紧集。
第一步:从 中任意选择一个序列。
假设:
由于每个 都是某个
的函数值,所以可以找到:
于是我们就有了定义域中的序列:
第二步:利用 的紧致性。
因为 是紧集,所以一定可以从
中选出一个收敛子序列:
注意,这里不仅保证子序列收敛,还保证极限 仍然属于
。
第三步:利用函数的连续性。
由于 连续,因此:
又因为:
所以:
并且:
我们证明了什么?
对于 中任意一个序列,都能够找到一个收敛子序列,而且极限仍然属于
。
这恰好就是序列紧致性(Sequential Compactness)的定义。
在欧氏空间中,序列紧致与紧致等价,因此:
证毕。
二、为什么这又能保证函数一定取到最大值?
回到实数轴上的情况。
我们已经证明:
是紧集。
根据 Heine–Borel 定理,它必然有界且闭合。
有界意味着:
存在且是有限实数。
这里的 是上确界(supremum),也就是函数值集合的最小上界。
但要注意:
存在上确界,并不意味着一定能够取到上确界。
例如:
它的上确界为 1,但集合中没有 1。
现在关键来了。
根据上确界定义,一定可以找到一列函数值:
满足:
因此:
而 是闭集,所以它包含其所有极限点。
于是:
这意味着存在某个 ,使得:
同理可以证明最小值一定存在。
这就得到了极值定理:
三、能不能更直接地证明极值定理?
其实可以,而且更容易记忆。
假设连续函数 在非空紧集
上有有限上确界
。
根据上确界定义,存在一列点:
使得:
因为 紧致,所以存在收敛子序列:
由于连续性:
但原来已经知道:
根据极限的唯一性:
这就证明最大值可以取到。
当然,上面先假设了 有限。这个前提也可以证明:如果
在
上无界,就能选择
使得
,但紧致性保证其中有收敛子序列,而连续性要求对应函数值收敛到有限值,产生矛盾。
因此证明是完整的。
补充:直接从开覆盖证明连续像紧致
设 连续,
紧致。若
是
的开覆盖,则
是
的相对开覆盖。紧致性给出有限个原像覆盖
,相应有限个
就覆盖
。相对开集是形如
的集合,可用环境开集
转成前章的定义。
这个证明不需要 为单射,也不用求逆函数;
表示集合的原像。
补充:为什么球面满足所有条件
单位球面 在
时非空,且有界。若球面上
,由反三角不等式
可知 ,所以球面闭,从而紧致。二次型
是有限项多项式,连续,于是能取到最大、最小值。
仅有闭集不够: 在
无最大值。仅有有界不够:
在
无最大、最小值。即便定义域紧致,连续性也不能删去:在
上令
(
),而
,上确界为
却取不到。