设 X,Y 为度量空间, T:X→Y 为映射. 求证: T 为连续映射当且仅当任取 M⊂X, 都有 T(Mˉ)⊂T(M).
解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成
证明:
1. 若 T 连续,则对任意 M⊂X 有 T(M)⊂T(M)。
任取 x∈M,由于 X 是度量空间,存在序列 {xn}⊂M 使得 xn→x。
由 T 的连续性得 T(xn)→T(x)。因为 T(xn)∈T(M),所以 T(x) 是 T(M) 中序列的极限,故 T(x)∈T(M)。
因此 T(M)⊂T(M)。
2. 若对任意 M⊂X 有 T(M)⊂T(M),则 T 连续。
用反证法。假设 T 在某点 x0∈X 处不连续,则存在 ε0>0,使得对任意 δ>0,总存在 y∈X 满足
dX(x0,y)<δ但dY(T(x0),T(y))≥ε0.
取 δn=1/n(n∈N),可选取点列 {yn}⊂X,使得
dX(x0,yn)<n1,dY(T(x0),T(yn))≥ε0(∀n).
令 M={yn:n∈N}。由于 yn→x0,故 x0∈M。由题设条件得
T(x0)∈T(M)⊂T(M).
因此 T(x0) 属于 T(M) 的闭包。在度量空间中,一点属于集合的闭包当且仅当存在该集合中的序列收敛于该点,所以存在 T(M) 中的序列收敛于 T(x0)。但 T(M)={T(yn):n∈N},从而存在子列 {T(ynk)} 收敛于 T(x0)。然而由构造,
dY(T(x0),T(ynk))≥ε0(∀k),
这与收敛性矛盾。因此假设不成立,T 在每点都连续。
综上,T 连续当且仅当对任意 M⊂X 有 T(M)⊂T(M)。