الرياضيات · المسرد

ما معنى الداخل والغلق والحافة؟

تعريف 12.10 الرياضيات الجامعية — السنة 1 · الفصل 12 — طوبولوجيا المستقيم الحقيقي

لتكن ARA \subseteq \R.

  • تكون النقطة xx داخلية للمجموعة AA إذا كانت AA جوارًا للنقطة xx؛ والداخل A˚\mathring{A} هو مجموعة النقاط الداخلية.
  • تكون النقطة xx ملاصقة للمجموعة AA إذا كان كل جوار للنقطة xx يقاطع AA؛ والغلق A\overline{A} هو مجموعة النقاط الملاصقة.
  • والحافة هي A=AA˚\partial A = \overline A \setminus \mathring A.

وعندئذ A˚AA\mathring A \subseteq A \subseteq \overline A.

أمثلة

مثال 12.12

(0,1)=[0,1]\overline{\intoo{0}{1}} = \intcc{0}{1}؛ [0,1]˚=(0,1)\mathring{\intcc{0}{1}} = \intoo{0}{1}؛ (0,1)={0,1}\partial\intoo{0}{1} = \{0, 1\}. ومن أجل A={1n:nN}A = \{\frac 1n : n \in \N^*\}: A=A{0}\overline A = A \cup \{0\} و A˚=\mathring A = \emptyset و A=A{0}\partial A = A \cup \{0\}. ومن أجل Q\Q: بالكثافة (المبرهنة 10.14) يكون كل عدد حقيقي ملاصقًا للمجموعة Q\Q، ومنه Q=R\overline{\Q} = \R بينما Q˚=\mathring{\Q} = \emptyset (لأن كل فترة تحتوي أعدادًا صماء): ومنه فحافة Q\Q هي R\R كلها.

مثال 12.13 (تشريح كامل)

لتكن A=(0,1](Q(2,3)){4}A = \intoc{0}{1} \,\cup\, \bigl(\Q \cap \intoo{2}{3}\bigr) \,\cup\, \{4\}. نحسب المجموعات الثلاث في التعريف 12.10، قطعةً قطعة.

الداخل. لكل نقطة من (0,1)\intoo{0}{1} فترة كاملة داخل AA: فهي داخلية. وأمّا النقطة 11: فكل فترة حولها تتسرّب يمين 11، حيث لا شيء في AA حتى 22: فهي ليست داخلية. ولا نقطة من Q(2,3)\Q \cap \intoo{2}{3} داخلية (لأن كل فترة تحتوي أعدادًا صماء، المبرهنة 10.14)؛ وكذلك النقطة المعزولة 44. ومنه A˚=(0,1)\mathring A = \intoo{0}{1}.

الغلق. نهايات نقاط AA: كل [0,1]\intcc{0}{1} (0=lim1n0 = \lim \frac1n مع 1nA\frac 1n \in A)؛ وكل [2,3]\intcc{2}{3} (لأن كل عدد حقيقي هناك نهاية أعداد ناطقة من الفترة، بالكثافة مرة أخرى)؛ والنقطة 44. ولا شيء آخر: فلأيّ نقطة خارج [0,1][2,3]{4}\intcc{0}{1} \cup \intcc{2}{3} \cup \{4\} مسافة موجبة إلى تلك المجموعة المغلقة. ومنه A=[0,1][2,3]{4}\overline A = \intcc{0}{1} \cup \intcc{2}{3} \cup \{4\}.

الحافة. A=AA˚={0,1}[2,3]{4}\partial A = \overline A \setminus \mathring A = \{0, 1\} \cup \intcc{2}{3} \cup \{4\}.

والفكرة النافذة: تعمل العمليات الثلاث موضعيًا — فكل قطعة من AA تسهم حسب طبيعتها هي (فالفترة الصلبة تحتفظ بداخلها، والقطعة الكثيفة المسامية تتحول كلها إلى حافة، والنقطة المعزولة حافة محضة)، ورسمٌ من سطرين للمجموعة AA يتنبّأ بكل جواب قبل كتابة أيّ برهان.

مثال 12.15 (غلق محسوب بالضبط)

لتكن G={1m+1n:m,nN}G = \bigl\{\frac1m + \frac1n : m, n \in \N^*\bigr\} (من المثال 12.7). الادعاء:

G=G{1m:mN}{0}.\overline G = G \,\cup\, \Bigl\{\frac1m : m \in \N^*\Bigr\} \,\cup\, \{0\} .

(\supseteq) 1m=limn(1m+1n)\frac1m = \lim_n \bigl(\frac1m + \frac1n\bigr) و 0=limn2n0 = \lim_n \frac2n: فهي ملاصقة حسب التمييز التتالي. (\subseteq) ليكن x=limk(1mk+1nk)x = \lim_k \bigl( \frac{1}{m_k} + \frac{1}{n_k}\bigr)؛ رتّب كل زوج بحيث يكون mknkm_k \leq n_k. فإذا كانت (mk)(m_k) غير محدودة، فلمتتالية جزئية mkm_k \to \infty، ومنه nkn_k \to \infty كذلك و x=0x = 0. وإلا فإن (mk)(m_k) تأخذ عددًا منتهيًا من القيم، إحداها، ولنقل mm، عددًا لا يُحصى من المرات؛ وعلى تلك المتتالية الجزئية 1nkx1m\frac{1}{n_k} \to x - \frac1m: فإذا كانت (nk)(n_k) محدودة أخذت قيمة nn ما عددًا لا يُحصى من المرات وكان x=1m+1nGx = \frac1m + \frac1n \in G؛ وإلا فإن x=1mx = \frac1m. فكل حالة تحطّ في المجموعة المعلنة. والفكرة النافذة: حساب غلق تحليلُ حالات على الأدلة بأسلوب التراص — فالدليل المحدود يعني عددًا منتهيًا من القيم (مبدأ الأدراج)، والدليل غير المحدود يعني نهايةً تفلت — ويعرض الجوابُ البنيةَ النموذجية ذات الطبقتين لنقاط التراكم: المجموعة، ونهاياتها من الجيل الأول، ونهايتها 00.

اقرأ في الفصل ←