高数或数分里,紧集中的“紧”字是什么意思?为什么要叫紧集?

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  • 定义

    紧集是拓扑空间内的一类特殊点集,它们的任何开覆盖都有有限子覆盖.在度量空间内,紧集还可以定义为满足以下任一条件的集合:

    任意列有收敛子列且该子列的极限点属于该集合(自列紧集)

    具备Bolzano-Weierstrass性质

    完备且完全有界

    性质

    紧集具有以下性质:

    紧集必然是有界的闭集,但反之不一定成立.

    紧集在连续函数下的像仍是紧集.

    豪斯多夫空间的紧子集是闭集.

    实数空间的非空紧子集有最大元素和最小元素.

    Heine-Borel定理:在Rn内,一个集合是紧集当且仅当它是闭集并且有界.

    定义在紧集上的连续实值函数有界且有最大值和最小值.

    定义在紧集上的连续实值函数一致连续.

    直观理解

    从某种意义上,紧集类似于有限集.举最简单的例子而言,在度量空间中,所有的有限集都有最大与最小元素.一般而言,无限集可能不存在最大或最小元素(比如R中的(0,1)),但R中的非空紧子集都有最大和最小元素.在很多情况下,对有限集成立的证明可以扩展到紧集.一个简单的例子是对以下性质的证明:定义在紧集上的连续实值函数一致连续.

    类似概念

    自列紧集:每个有界序列都有收敛的子序列.

    可数紧集:每个可数的开覆盖都有一个有限的子覆盖.

    伪紧:所有的实值连续函数都是有界的.

    弱可数紧致:每个无穷子集都有极限点.

    在度量空间中,以上概念均等价于紧集.

    以下概念通常弱于紧集:

    相对紧致:如果一个子空间Y在母空间X中的闭包是紧致的,则称Y是相对紧致于X.

    准紧集:若空间X的子空间Y中的所有序列都有一个收敛的子序列,则称Y是X中的准紧集.

    局部紧致空间:如果空间中的每个点都有个由紧致邻域组成的局部基,则称这个空间是局部紧致空间.