[FTC의 엄밀한 증명] ch10. 콤팩트 집합
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본 포스팅은 'Stephen Abbott, 해석학 첫걸음(2판)'을 공부하며 작성하였습니다.
11. 콤팩트 집합
아직 연속함수를 정의하지 않았지만, 일단 대략 끊어지지 않고 이어져있는 함수라고 하자. 다음은 분명히 참이다.
닫힌 구간에서 정의된 연속함수 은 최댓값과 최솟값을 가진다.

이 성질은 최대-최소 정리라고 불리는데, 이는 너무나 당연해서 증명할 필요도 없어보인다.
한번 의심을 해보자. 꼭 닫힌 구간에서만 최대-최소 정리가 성립하는건가? 어쩌면 닫힌 구간이라는 조건은 너무 강한 조건이 아닐까? 만약 어떠한 분류의 집합에서 최대-최소정리가 성립하고, 닫힌 구간은 최대-최소 정리를 만족하는 특수한 케이스라면? 이것이 사실이라면 최대-최소 정리를 기술할때 굳이 닫힌 구간으로 한정시킬 이유는 없을 것이다.
어떠한 결론을 이끌어낼때는 전제에 본질만 담아야 잘못된 논리와 불완전한 직관의 희생양이 되지 않을 수 있다. 이번에 소개하는 개념은 닫힌 구간의 개념에서 불필요한 부분을 제거하는 방법이다. 다음의 정의를 확인하자.
콤팩트성 (Compactness)
집합을 생각하자. 의 원소로 이루어진 임의의 수열에 대해 극한이 의 원소인 부분수열이 존재하면 를 콤팩트 집합(compact set), 또는 콤팩트(compact)하다고 한다.
콤팩트 집합의 가장 기초적인 예시는 닫힌 구간이다. 볼차노-바이어슈트라스 정리를 다시 보자.
모든 유계수열은 수렴하는 부분수열을 가진다.
닫힌 구간
여기서 어떤 특성이 닫힌 구간을 콤팩트할 수 있도록 한 것일까? 위의 설명에 정답이 있다. 다음의 설명을 보자.
정의) 어떤이 존재하여 임의의 에 대해 이면 집합 을 유계(bounded)라고 한다.
하이네-보렐 정리 (Heine-Borel theorem)
집합이 콤팩트할 필요충분조건은 가 유계이고 닫힌 집합인 것이다.
※ 역사적으로 하이네-보렐 정리에서 compact 란 임의의 열린덮개가 유한 부분덮개를 가지는 집합(설명 생략)을 의미하며, 이는 현대적인 compact 의 정의이다. 본 포스팅에서 정의한 compact 는 구식 정의로, 엄밀하게 말하면 sequentially compact 이다. 하지만
proof)
(
정리하면
정리하면 콤팩트 집합은 유계이고 닫힌 집합이다.
(
콤팩트 집합은 종종 닫힌 구간의 일반화로 취급할 수 있으므로 잘 기억해두자. 서두에 언급한 최대-최소 정리는 그 중 하나이다.
읽어주셔서 감사합니다.
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