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习题 1.32

, . 求证: 为相对紧集当且仅当 为有界集, 且任取 , 存 在 , 使得任给 , 都有 .

解答

解答使用 DeepSeek v3.2 Speciale 生成

。以下证明 是相对紧的当且仅当 有界且满足一致尾小条件:对任意 ,存在 使得对任意

由于 是完备的度量空间,集合相对紧等价于完全有界(即预紧)。以下证明均使用这一等价性质。


必要性(相对紧 有界且一致尾小)

相对紧,则 完全有界且显然有界。任取 ,令 。由完全有界性,存在有限子集 使得 对每个 ,因 ,故存在 使得 ,则对任意

对任意 ,选取 满足 ,则 从而 故一致尾小条件成立。


充分性(有界且一致尾小 相对紧)

假设 有界,且对任意 存在 使得

欲证 完全有界。给定 ,取 使得对一切

考虑投影 (或 ),,并令 。因 有界,存在 使 对所有 成立,于是对任意 是有限维空间 中的有界集。有限维空间中的有界集完全有界,因此存在有限个点 使得 其中 表示 中以 -范数度量的球。

对每个 ,定义

现在验证 构成 的一个 -网。任取 ,令 ,则存在 使得 。于是 其中第一个不等式利用了三角不等式:将 分解为前 坐标之差(尾部为零)与尾部 之和。

因此 完全有界,从而相对紧。


综上,命题得证。