1.2 知识点复习

1.2.1 距离

重要概念回顾 对于给定线性空间(F,X)(一般F=R或C,如Rm),

(1)

距离d:X×X→R:对称性、正定性、三角不等式。

(2)

范数∥⋅∥:X→R:正定性、齐次性、三角不等式。若定义d(x,y):=∥x−y∥,则d是X上的距离且满足平移不变性。

(3)

内积⟨⋅,⋅⟩:X×X→F:(共轭)对称性、(半)线性、正定性。若定义∥x∥:=⟨x,x⟩,则∥⋅∥是X上的范数且满足平行四边形等式和Cauchy-Schwarz不等式。

应用

(1)

p-范数(1-范数、2-范数、无穷范数):∥x∥p:=(∑i=1n|xi|p)1/p、∥x∥∞:=limp→+∞∥x∥p。

(2)

标准内积:⟨x,y⟩:=∑i=1nxiyi。

1.2.2 极限

重要概念回顾

(1)

有界、数列有界、数列收敛(∀ε,∃N,n>N⟹d(xn,A)<ε)、Cauchy列(∀ε,∃N,n>m>N⟹d(xn,xm)<ε)。

(2)

闭集(若{xn}→A,则A∈X)、紧集(任意开覆盖有有限子覆盖)、列紧性(任意数列有收敛子列,且收敛于X)。

(3)

完备性:任意Cauchy列均收敛到自身。

重要定理回顾 对于给定度量空间(X,d)(如Rm),

(1)

收敛⟹ Cauchy列⟹有界,Cauchy列+存在收敛子列⟹收敛。

(2)

Rm是完备的。

(3)

Rm上的所有范数等价。

(4)

Rm上的有界闭集等价于紧集。

1.2.3 连续映射与函数

重要概念回顾

(1)

连续、连续映射:设E⊆Rm,称f:E→Rp在x0∈E处连续,若∀ε>0,∃δ>0,使得∀x∈E,∥x−x0∥<δ⟹∥f(x)−f(x0)∥<ε。

(2)

道路连通集:称E⊆Rm是一个道路连通集,若∀x,y∈E,∃连续映射γ:[a,b]→E满足γ(a)=x、γ(b)=y,且∀t∈[a,b]都有γ(t)∈E。

重要定理回顾

(1)

映射在某一点处的连续性等价于任意收敛于该点的数列的像收敛于该点的像。

(2)

Rm中,连续映射将有界闭集映射为有界闭集,连续函数在有界闭集上有最值。

(3)

连续映射将道路连通集映射为道路连通集,连续函数在道路连通集上存在介值性。

(4)

复合映射的连续性:设f:E→Rp在x0∈E⊆Rm处连续,g:F→Rq在y0=f(x0)∈F⊆Rp连续,则g∘f:E∩f−1(F)→Rq在x0处连续。

(5)

Rm中的映射连续等价于其分量函数连续。

应用 Rm中变换(定义域与陪域相同的映射)的对称性、特征值、特征向量、谱分解定理。

注

(1)

Rm中,数列的极限与范数的选择无关。

(2)

设函数f:R2→R,即便固定任意一个变量均能得到连续函数,f仍不一定连续。反例为f(x,y)=xyx2+y2,补充定义f(0,0)=0。

(3)

设函数f:R2→R,即便f在原点处任意方向的极限(即limr→0f(rcos⁡θ,rsin⁡θ))均存在,f仍不一定连续。反例为f(x,y)=x2yx4+y2,补充定义f(0,0)=0。

1.2.4 映射与函数的极限

重要概念回顾

(1)

聚点(∀δ,∃x∈E,0<∥x−x0∥<δ)、孤立点(非聚点)、导集(聚点的集合)。

(2)

映射(函数)在一点处的极限(为向量):limx→x0f(x)=A,即∀ε>0,∃δ>0,使得∀x∈E,0<∥x−x0∥<δ⟹∥f(x)−A∥<ε。

(3)

函数在一点处的极限(为±∞):limx→x0f(x)=±∞,即∀M>0,∃δ>0,使得∀x∈E,0<∥x−x0∥<δ⟹f(x)>M或f(x)<−M。

(4)

映射(函数)在某些分量的无穷远处的极限。

(5)

映射(函数)在无穷远处的极限:lim∥x∥→+∞f(x)=A,即∀ε>0,∃M>0,使得∀∥x∥>M⟹∥f(x)−A∥<ε。

(6)

多重极限、累次极限。

重要定理回顾

(1)

映射在某一点处的连续性等价于映射在该点处的极限等于该点的像。

(2)

映射在某一点处的极限为A等价于任意收敛于该点的数列的像收敛于A。

(3)

复合映射的极限:设E为g∘f的定义域,limx→x0f(x)=y0、limy→y0g(y)=A且满足以下条件之一:g在y0处连续;或f在x0的某个邻域内的函数值不为y0;则limx→x0(g∘f)(x)=A。

(4)

开集上某一点处的多重极限与任意顺序的累次极限均存在⟹以上极限均相等。换言之,若存在某两个顺序的累次极限不相等,则多重极限不存在。

(5)

若重极限lim(x,y)→(x0,y0)f(x,y)=A且对x0的某个去心邻域中极限limy→y0f(x,y)=g(x)存在,则limx→x0g(x)存在且limx→x0g(x)=A,从而limx→x0limy→y0f(x,y)=A。

注

(1)

极限的通用定义是:称limx→x0f(x)=A,若∀ε>0,∃δ>0,使得x∈U∘(x0,δ)∩E⟹f(x)∈U(A,ε)。所有定义的关键在于确认x0的去心邻域和找到A的邻域。

(2)

Rm中,映射的极限与范数的选择无关。

(3)

映射连续性的四则运算法则对映射的极限也成立。

(4)

定理(2)通常用于证明极限不存在。

(5)

在复合映射g∘f的极限中,“g的连续性”或“f在x0的某个邻域内的函数值不为y0”必不可少。

(6)

以下记号等价:limx→ay→b=limx→a,y→b=lim(x,y)→(a,b)。

(7)

多重极限与累次极限没有直接关系。

axyxxxy(x00x→→,→yax)−,0 →y,∞y,→∞→y →+y∞0− ∞

图 1.2.1: 各种极限的趋近方式示意
注:以上仅仅是示意图。在求极限时需要特别注意去心邻域的条件。

1.2.5 *范数诱导距离、内积诱导范数

如何判断距离是否由范数诱导?如何判断范数是否由内积诱导?

定理 1.2.1 设d:X×X→R为距离,则存在范数∥⋅∥:X→R满足d(x,y)=∥x−y∥当且仅当d满足:

(1)

齐次性:∀λ∈F、∀x,y∈X,d(λx,λy)=|λ|d(x,y);

(2)

平移不变性:∀x,y,z∈X,d(x+z,y+z)=d(x,y);

证明 ⟹是平凡的,我们来证明⟸。令∥x∥:=d(x,0),则

(1)

正定性:∥x∥=d(x,0)≥0且∥x∥=0当且仅当x=0;

(2)

齐次性:∥λx∥=d(λx,0)=|λ|d(x,0)=|λ|∥x∥;

(3)

三角不等式:∥x+y∥=d(x+y,0)≤d(x+y,x)+d(x,0)=d(y,0)+∥x∥=∥x∥+∥y∥。

◻

定理 1.2.2 设∥⋅∥:X→R为范数,则存在内积⟨⋅,⋅⟩:X×X→F满足∥x∥=⟨x,x⟩当且仅当∥⋅∥满足平行四边形等式:(1)∥x+y∥2+∥x−y∥2=2∥x∥2+2∥y∥2

证明 ⟹是平凡的,逐步展开即可。⟸:构造极化恒等式。(2)⟨x,y⟩=14(∥x+y∥2−∥x−y∥2),(实数域)⟨x,y⟩=14(∥x+y∥2−∥x−y∥2+i∥x+iy∥2−i∥x−iy∥2),(复数域) 我们仅对F=R的情况给出证明。依次验证内积的性质:

(1)

对称性:(3)⟨x,y⟩=14(∥x+y∥2−∥x−y∥2)=14(∥y+x∥2−∥y−x∥2)=⟨y,x⟩

(2)

双线性的证明较复杂,以下概述证明过程:

  • 证明:⟨u+w,v⟩=⟨u,v⟩+⟨w,v⟩。(4)⟺∥u+w+v∥2−∥u+w−v∥2+∥u+v−w∥2−∥u+v−w∥2=∥u+v∥2−∥u−v∥2+∥w+v∥2−∥w−v∥2⟺2∥u+v∥2+2∥w∥2−2∥u∥2−2∥v−w∥2=∥u+v∥2−∥u−v∥2+∥w+v∥2−∥w−v∥2⟺∥u+v∥2+∥u−v∥2+2∥w∥2=∥w+v∥2+∥w−v∥2+2∥u∥2⟺2∥u∥2+2∥v∥2+2∥w∥2=2∥u∥2+2∥v∥2+2∥w∥2
  • 利用数学归纳法证明:⟨nu,v⟩=n⟨u,v⟩,其中n∈N。
  • 证明:⟨−u,v⟩=−⟨u,v⟩。
  • 设r=pq∈Q+,其中p,q∈N+,则q⟨ru,v⟩=⟨pu,v⟩,故⟨ru,v⟩=r⟨u,v⟩。
  • 设r∈Q−,则⟨ru,v⟩=⟨(−r)(−u),v⟩=−r⟨−u,v⟩=r⟨u,v⟩。
  • 设a∈R,令f:Q→R满足f(r):=⟨ru,v⟩,f^:R→R满足f^(a):=limr∈Q→af(r)。若⟨u,v⟩=0,则f^(a)=0平凡地成立。若⟨u,v⟩≠0,则需要依次证明:

    • f在Q上严格单调。
    • ∀a∈R,limr∈Q→af(r)存在。
    • ∀r∈Q,f^(r)=f(r)。
    • f^在R上严格单调。
    • f^在R上连续。
    • f^(a)=a⟨u,v⟩,亦即∀λ∈R,都有⟨λu,v⟩=λ⟨u,v⟩。
(3)

正定性:(5)⟨x,x⟩=14(∥x+x∥2−∥x−x∥2)=14(4∥x∥2−0)=∥x∥2 故⟨x,x⟩≥0且⟨x,x⟩=0当且仅当x=0。

◻

定义了距离的空间称为度量空间,定义了范数的空间称为赋范空间,定义了内积的空间称为内积空间。它们的关系为:内积空间⊂赋范空间⊂度量空间。

1.2.6 *点集拓扑初步(1)

设(X,d)为度量空间,定义

(1)

开集:设G⊆X,若G中的点均为内点,即∀x∈G,∃r>0,使得B(x,r)⊆G,则称G为X的开子集,简称开集。

(2)

闭集:设F⊆X,若FC:=X∖F为开集,则称F为X的闭子集,简称闭集。

(3)

内部:设A⊆X,记UA:={U∈2A∣U 为开集},则A的内部A∘:=⋃U∈UAU。A∘的所有点即为A的内点,且A∘是A的最大开子集。

(4)

闭包:设A⊆X,记FA:={F∈2X∣F 为闭集且A⊆F},则A的闭包A―:=⋂F∈FAF。A―是A的最小闭集。

(5)

边界:设A⊆X,则A的边界∂A:=A―∖A∘。

(6)

紧集:设K⊆X,若K中的任意开覆盖都有有限子覆盖,则称K为紧集。

(7)

列紧性:设K⊆X,若K中的任意数列都有收敛子列,则称K为列紧集。若K中的任意数列都有收敛子列且极限均在K中,则称K为自列紧集。

注 以下陈述中涉及的命题可尝试证明。

(1)

∅与X既是开集,也是闭集。

(2)

任意多个开集的并集仍为开集,有限多个开集的交集仍为开集;任意多个闭集的交集仍为闭集,有限多个闭集的并集仍为闭集。

(3)

开集、闭集的定义与度量空间有关。讨论开集、闭集时,需要强调相对于哪个度量空间(课本上默认为Rm)。如(0,1]是[−1,1]的开集,但不是R的开集;[0,1]∩Q是Q的闭集,但不是R的闭集。

(4)

无限多个开集的交集未必是开集。如⋂n=1+∞(−1n,1n)={0},不是开集。无限多个闭集的并集未必是闭集。如⋃n=1+∞[−1+1n,1−1n]=(−1,1),不是闭集。

(5)

内部与闭包的关系:(A∘)C=AC―、(A―)C=(AC)∘。

(6)

∂A=∂AC。

(7)

证明G⊆X是开集:证明G中的点均为内点;证明G是某个集合的内部;证明G是任意多个开集的并集,或是有限多个开集的交集。

(8)

证明F⊆X是闭集:证明FC是开集;证明F是某个集合的闭包;证明F是任意多个闭集的交集,或是有限多个闭集的并集;证明∀{xn}n=1+∞⊆F,若limn→+∞xn=x,则x∈F。

(9)

K是紧集等价于K是自列紧集。证明参见10。

(10)

紧集是有界闭集,反之则未必。Rm中,紧集等价于有界闭集。此结论可推广至有限维度量空间。

PIC

图 1.2.2: 有界闭集未必是紧集

定理 1.2.3 证明:F⊆X是闭集等价于∀{xn}n=1+∞⊆F,若limn→+∞xn=x∈X,则x∈F。

证明 ⟹:谬设x∈FC,由于FC是开集,故∃r>0,使得B(x,r)⊆FC。此时∀n∈N+,d(xn,x)>r,与limn→+∞xn=x矛盾!故x∈F。

⟸:谬设F不为闭集,则FC不为开集,故∃x∈FC,使得∀r>0,B(x,r)⊈FC。取r=1n,则∃xn∈B(x,1n),使得xn∈F。此时limn→+∞xn=x,则x∈F,与x∈FC矛盾!故F是闭集。 ◻

定理 1.2.4 证明:A既开又闭等价于∂A=∅。

证明 ⟹:若A既开又闭,则A与AC均为开集,故A∩∂A=A∘∩∂A=∅、AC∩∂A=AC∩∂AC=∅,故∂A=∂A∩(A∪AC)=∅。

⟸:若∂A=∅,则A∩∂A=∅、AC∩∂AC=AC∩∂A=∅,故A与AC均为开集,即A既开又闭。 ◻

1.2.7 *点集拓扑初步(2)

定义

(1)

逆像:设T:X→Y,A⊆Y,则T的逆像T−1(A):={x∈X∣T(x)∈A}。

(2)

连续映射:设(X,d1),(Y,d2)为度量空间,T:X→Y,则以下命题等价:

  • T连续,即∀x0∈X,∀ε>0,∃δ>0,∀x∈X,d1(x,x0)<δ⟹d2(Tx,Tx0)<ε;
  • ∀G⊆Y,若G是Y中的开集,则T−1(G)是X中的开集;
  • ∀F⊆Y,若F是Y中的闭集,则T−1(F)是X中的闭集。
(3)

连通集:设(X,d)为度量空间,则以下命题等价:

  • X为连通集,即X的既开又闭的子集只有∅与X;
  • X不能表示为两个不相交的非空开集的并。
  • X不能表示为两个不相交的非空闭集的并。
  • 不存在连续满射f:X→{0,1}。

例:Q不是连通集,因为Q∩(−∞,−2)、Q∩(2,+∞)是Q的两个既开又闭的子集。

(4)

道路连通集:设(X,d)为度量空间,称X为道路连通集,若∀a,b∈X,存在连续映射γ:[0,1]→X使得γ(0)=a,γ(1)=b。

注 以下陈述中涉及的命题可尝试证明。

(1)

A连通⟹A―连通。

(2)

设f:X→Y是连续映射,若A是X的连通子集,则f(A)是Y的连通子集。

(3)

连续函数在紧集上有最值,在紧集上一致连续。

(4)

连续函数在连通集上存在介值性。

(5)

道路连通集是连通集;反之则未必,如“拓扑学家的正弦函数”X={(x,y)∣y=sin⁡1x,x≠0}∪{(0,y)∣−1≤y≤1}。

定理 1.2.5 道路连通集是连通集。

证明 假设X道路连通但不连通,则存在X的非空不相交开集G1,G2使得G1∪G2=X。取a∈G1、b∈G2,则存在连续映射γ:[0,1]→X使得γ(0)=a,γ(1)=b。由于γ−1(G1)、γ−1(G2)是[0,1]的开集且γ−1(G1)∪γ−1(G2)=[0,1],故[0,1]不为连通集,矛盾! ◻

定理 1.2.6 Rn中连通的开集是道路连通集。

证明 设G⊆Rn为连通的开集,任取a∈G,令Ga:={x∈G∣∃γ:[0,1]→G s.t. γ(0)=a,γ(1)=x}。显然a∈Ga,故Ga非空。

由于G为开集,故∀x∈G,∃r>0,使得B(x,r)⊆G。由于Rn中的开球为道路连通集,故∀y∈B(x,r),∃γ′:[0,1]→G使得γ′(0)=x,γ′(1)=y;故y∈Ga,即Ga是G的开子集。

∀{x}n=1+∞∈Ga且满足limn→+∞xn=x∈G,则∃r>0,使得B(x,r)⊆G;故∃N∈N+,n≥N⟹xn∈B(x,r)。由于xN∈Ga∩B(x,r)、x∈B(x,r)、Rn中的开球为道路连通集,故x∈Ga,即Ga是G的闭子集。

故Ga是G的非空开闭子集,由于G连通,故Ga=G,即G是道路连通集。 ◻