하이네-보렐 정리

일반위상수학에서 하이네-보렐 정리(영어: Heine–Borel theorem)는 균등 공간콤팩트 공간필요충분조건을 제시하는 정리이다.

정의

하이네-보렐 정리에 따르면, 임의의 균등 공간 에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.[1]

증명:

콤팩트 균등 공간 위의 코시 필터집적점을 가지며, 따라서 이 집적점으로 수렴한다. 즉, 모든 콤팩트 균등 공간은 완비 균등 공간이다. 이제, 완전 유계 공간임을 보이자. 임의의 측근 에 대하여, -작은 집합들로 구성된 유한 덮개를 찾으면 족하다. 다음 조건들을 만족시키는 측근 가 존재한다.

  • 대칭 관계이다.
  • 열린집합이다.

이제

라고 하자. 그렇다면, 는 유한 부분 덮개 를 갖는다. 또한, 모든 -작은 집합이다.

반대로, 균등 공간 완비 균등 공간이자 완전 유계 공간이라면, 콤팩트 공간임을 보이자. 임의의 위의 극대 필터 가 수렴함을 보이면 족하다. 완비 균등 공간이므로, 코시 필터임을 보이면 족하다. 임의의 측근 가 주어졌다고 하자. 그렇다면, 완전 유계성에 따라 -작은 집합들로 구성된 유한 덮개 이 존재한다. 극대 필터이므로, 이 존재한다.

특히, 유클리드 공간부분 집합이라고 하자. 그렇다면, 에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.

마찬가지로, 에 대하여 다음 두 조건이 서로 동치이다.

따라서, 의 경우 하이네-보렐 정리에 따라 다음 두 조건이 서로 동치이다.

위의 이산 거리 공간을 생각하자. 그 속의 부분 집합 유계 닫힌집합이며 완비 거리 공간이지만 완전 유계 공간이 아니며, 따라서 콤팩트 집합이 아니다.

역사

에두아르트 하이네에밀 보렐의 이름을 땄다.

같이 보기

각주

  1. Frank, D. L. (1965). “A totally bounded, complete uniform space is compact”. 《Proceedings of the American Mathematical Society》 (영어) 16: 514–514. doi:10.1090/S0002-9939-1965-0175088-5. ISSN 0002-9939. MR 0175088.