设 (X,d) 为度量空间, M⊂X. 称 ∂M=Mˉ∖M∘ 为 M 的边界. 求证:
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∂M 总为闭集;
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x∈∂M 当且仅当任给 ε>0, B(x,ε)∩M=∅, B(x,r)∩Mc=∅;
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∂M=∂(Mc).
求下述集合的边界:
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R 中的开区间 (0,1);
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R 中的半开半闭区间 (0,1];
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R 中的有理数集 Q;
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复平面 C 的单位开圆盘 D={z∈C:∣z∣<1}.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
1. 证明 ∂M 总是闭集
证明:由于 M∘=X∖Mc(因为 x∈M∘ 当且仅当存在 ε>0 使 B(x,ε)⊂M,这等价于 x 不是 Mc 的接触点,即 x∈/Mc),故 (M∘)c=Mc。于是
∂M=Mˉ∖M∘=Mˉ∩(M∘)c=Mˉ∩Mc.
Mˉ 与 Mc 均为闭集,它们的交 ∂M 也是闭集。∎
2. 证明 x∈∂M 当且仅当对任意 ε>0,B(x,ε)∩M=∅ 且 B(x,ε)∩Mc=∅
证明:
(必要性)若 x∈∂M,则 x∈Mˉ 且 x∈/M∘。由 x∈Mˉ,对任意 ε>0,B(x,ε)∩M=∅。由 x∈/M∘,不存在 δ>0 使 B(x,δ)⊂M,因此对任意 ε>0,B(x,ε) 不包含于 M,即 B(x,ε)∩Mc=∅。
(充分性)假设对任意 ε>0,B(x,ε)∩M=∅ 且 B(x,ε)∩Mc=∅。由 B(x,ε)∩M=∅ 知 x∈Mˉ。若 x∈M∘,则存在 ε0>0 使 B(x,ε0)⊂M,从而 B(x,ε0)∩Mc=∅,与假设矛盾,故 x∈/M∘。因此 x∈Mˉ∖M∘=∂M。∎
3. 证明 ∂M=∂(Mc)
证明:利用 ∂M=Mˉ∩Mc(见第1步)。对 Mc 应用相同表达式得
∂(Mc)=Mc∩(Mc)c=Mc∩Mˉ=Mˉ∩Mc=∂M.∎
求下列集合的边界
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R 中的开区间 (0,1)
(0,1) 是开集,故 M∘=(0,1);闭包 Mˉ=[0,1]。所以 ∂(0,1)=[0,1]∖(0,1)={0,1}。
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R 中的半开半闭区间 (0,1]
内部 M∘=(0,1),闭包 Mˉ=[0,1],故 ∂(0,1]=[0,1]∖(0,1)={0,1}。
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R 中的有理数集 Q
Qˉ=R,Q∘=∅,所以 ∂Q=R∖∅=R。
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复平面 C 的单位开圆盘 D={z∈C:∣z∣<1}
D 是开集,故 D∘=D;闭包 Dˉ={z∈C:∣z∣≤1}。因此 ∂D=Dˉ∖D={z∈C:∣z∣=1}(单位圆周)。