如何证明,如果我们对度量空间中的某个子集取补集,则下确界变成上确界,同样可以得到上确界运算是一个连续函数的结论。
时间: 2024-04-22 20:23:35 浏览: 14
设 $X$ 是一个度量空间,$A$ 是 $X$ 的一个非空子集,$B=X\setminus A$ 是 $A$ 的补集。对于 $x,y\in X$,我们仍然定义它们之间的距离为 $d(x,y)$。由于 $A$ 和 $B$ 的关系是互补的,因此 $x$ 到 $B$ 的下确界可以表示为:
$$\inf_{b\in B}d(x,b)=\sup_{a\in A}d(x,a)$$
证明如下:
对于任意 $b\in B$ 和 $a\in A$,有 $d(x,b)\geq d(x,a)$,因此 $\inf_{b\in B}d(x,b)\geq d(x,a)$,即 $\sup_{a\in A}d(x,a)\leq \inf_{b\in B}d(x,b)$。
下面我们需要证明 $\inf_{b\in B}d(x,b)\leq \sup_{a\in A}d(x,a)$。对于任意 $\epsilon>0$,由于下确界的定义,存在 $b\in B$,使得 $d(x,b)\leq \inf_{b\in B}d(x,b)+\epsilon$。同时,由于 $B=X\setminus A$,因此对于任意 $a\in A$,有 $d(x,b)\geq d(x,a)$,因此 $\inf_{b\in B}d(x,b)\geq d(x,a)-\epsilon$。因此,对于任意 $a\in A$ 和 $\epsilon>0$,都存在 $b\in B$,使得 $d(x,b)\leq \inf_{b\in B}d(x,b)+\epsilon$ 且 $d(x,b)\geq d(x,a)-\epsilon$。所以 $\sup_{a\in A}d(x,a)\leq \inf_{b\in B}d(x,b)+\epsilon$。由于 $\epsilon$ 的任意性,我们可以得到 $\sup_{a\in A}d(x,a)\leq \inf_{b\in B}d(x,b)$。
综上,我们得到 $\inf_{b\in B}d(x,b)=\sup_{a\in A}d(x,a)$。因此,对于 $B$ 中任意元素 $b$,我们有:
$$\sup_{a\in A}d(x,a)=\inf_{b\in B}d(x,b)\leq d(x_0,b)\leq \sup_{a\in A}d(x,a)+\epsilon$$
由于度量空间 $X$ 中的距离函数 $d(x,y)$ 是连续函数,因此对于任意 $\epsilon>0$,存在 $\delta>0$,使得当 $d(x,x_0)<\delta$ 时,有 $d(x,b)-d(x_0,b)<\epsilon$。因此,当 $d(x,x_0)<\delta$ 时,我们有:
$$\begin{aligned} |f(x)-f(x_0)|&\leq |f(x)-d(x,b)|+|f(x_0)-d(x_0,b)|+2\epsilon\\ &\leq d(x,x_0)+2\epsilon \end{aligned}$$
因此,当 $d(x,x_0)<\delta$ 时,有 $|f(x)-f(x_0)|<3\epsilon$。这说明 $f$ 是一个连续函数。