设 X 为完备度量空间, 非空子集 F⊂X 的直径定义为
diam(F)=x,y∈Fsupd(x,y).
设 Fn⊂X 为非空闭集, 且任取 n≥1, Fn+1⊂Fn, 又设 limn→∞diam(Fn)=0. 求证: ⋂n=1∞Fn 为单点集. 举例说明条件 limn→∞diam(Fn)=0 是必要的.
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
证明:任取 xn∈Fn。由于 Fn+1⊂Fn,故当 m≥n 时 xm∈Fm⊂Fn,从而
d(xm,xn)≤diam(Fn)(m≥n).
因为 n→∞limdiam(Fn)=0,所以 {xn} 是 Cauchy 列。由 X 的完备性,存在 x∈X 使得 xn→x。
下证 x∈⋂n=1∞Fn。固定 n,当 k≥n 时 xk∈Fn,即 {xk}k≥n 是 Fn 中收敛于 x 的序列。Fn 是闭集,故 x∈Fn。由 n 的任意性知 x∈⋂n=1∞Fn。
再证唯一性。若 y∈⋂n=1∞Fn,则对任意 n 有 x,y∈Fn,于是
d(x,y)≤diam(Fn).
令 n→∞ 得 d(x,y)=0,从而 x=y。因此 ⋂n=1∞Fn 恰含一个点。
举例说明条件 limn→∞diam(Fn)=0 是必要的:取 X=R(完备度量空间),令
Fn=[n,∞),n≥1.
每个 Fn 是非空闭集,且 Fn+1⊂Fn。但 diam(Fn)=supx,y∈[n,∞)∣x−y∣=+∞,不趋于 0。此时 ⋂n=1∞Fn=∅,不是单点集。
(也可考虑 Fn=[0,1+n1],此时 diam(Fn)=1+n1→1=0,而 ⋂n=1∞Fn=[0,1] 包含无穷多点。)
由此可见条件 limn→∞diam(Fn)=0 不可去掉。