Boshernitsan定理

本文提供了一个简单的证明,即紧凑的度量空间到其自身的映射(而不减小距离)是等轴测图。



展示架 f : E r i g h t a r r o w E : 带度量的度量空间  r h o ( c d o t , c d o t )  (,) 称为等距 x , y \在E,在 公平平等  r h o ( x , y ) = r h o ( f ( x ), f ( y )) (,)((),()) 。 在这里,我们证明以下陈述:

定理 如果 f : E r i g h t a r r o w E : 紧凑度量空间到自身的映射,从而

 rho(x,y) leq rho(f(x),f(y))(1)(,)((),())()

对于任何 x,y\在E,在 然后映射 f -等轴测图。

回顾一些有关度量紧集的简单陈述,并介绍一些进一步说明所必需的约定和定义。

通过 |A| 我们表示有限集的元素数 。

对于 x\在E在 和  varepsilon>0 许多 Q_ {x,\ varepsilon} = \ {y:y \ in E,\ rho(x,y)<\ varepsilon \}Q_ {x,\ varepsilon} = \ {y:y \ in E,\ rho(x,y)<\ varepsilon \} 让我们打电话  varepsilon -邻里点 x (或以 x 和半径  varepsilon )

有限集 A\子集E子集 会打电话  varepsilon 网络中 E (或只是  varepsilon -网络)(如果有) x\在E在 有一点 y\在A$在 这样  rho(x,y)< varepsilon(,) 。 许多 B\子集E子集 会打电话  varepsilon -拒绝,如果  rho(x,y) geq varepsilon(,) 对于任何 x,y\在B$,在 这样 x\否y否 。

对于任何有限集 A = \左\ {a_1,\ ldots,a_m \右\} \子集EA = \左\ {a_1,\ ldots,a_m \右\} \子集E 用...表示 l(A)() 金额  sumi leqj rho left(ai,aj right)(,) 。 幅度 l(A) 叫集的长度 。

1.让序列 \左\ {a_n \右\} , \左\ {b_n \右\} 许多要素 E 相应地收敛
要点 a,b\在E 。 然后  rho\左(an,bn\右) rightarrow rho(a,b) 在 n rightarrow infty 。

证明 。 考虑明显的不平等

 rho\左(an,bn\右) leq rho(a,b)+ rho\左(an,a\右)+ rho\左(bn,b\右)(2)

 rho left(an,bn right)+ rho left(an,a right)+ rho left(bn,b right) geq rho(a,b)(3)

由于 an rightarrowa , bn rightarrowb 在 n rightarrow infty 然后  varepsilon>0 有这么自然 N 对于每个人 n>N 将是

 rho left(an,a right)< frac varepsilon2, rho left(bn,b right)< frac varepsilon2(4)

来自 (2),(3),(4) 因此 \左| rho(a,b)− rho\左(an,bn\右)\右|< varepsilon 对于所有 n>N 。

2.对于每个  varepsilon>0 在 E 有一个有限的  varepsilon 网络。

证明 。 开球家族 \左\ {Q_ {x,\ varepsilon} \右\} 在哪里 x 贯穿 E 是涂料 E 。 T.到。 E 紧凑,选择有限的球族 \左\ {Q_ {x_1,\ varepsilon},\ ldots,Q_ {x_m,\ varepsilon} \右\} 也涵盖 E 。 显然,集 A = \左\ {x_1,\ ldots,x_m \右\} -最后  varepsilon 网络。

3.空间 E 有限。 即有这么一个数字 d>0 那  rho(x,y)<d 对于任何 x,y\在E 。

证明立即从2得到。实际上,我们把 g= underseti neqj max left(xi,xj right) 在哪里 xi , xj -元素  varepsilon 网路 。 很明显  rho(x,y) leqg+2 varepsilon 。

4.如果 B = \左\ {a_1,\ ldots,a_n \右\} -最后  frac varepsilon2 网络中 E 那么对于任何  varepsilon 稀疏集 K 将是 |K| leq|B| 即 |K| leqn 。

证明 。 热气球 $ inline $ \ underset {i = 1} {\ overset {n} {\ unicode {222a}}} Q_ {a_i,\ frac {\ varepsilon} {2}} $ inline $ 封面 E 。 如果 |K|>n 然后来自两个不同的元素 K 将在其中之一 Qai, frac varepsilon2 ,这与以下事实相反: K --  varepsilon 稀疏集。

5.给大家  varepsilon 稀疏集 A\子集E 匹配号码 l(A) -它的长度。 我们已经证明该功能可以将任何人  varepsilon 稀疏集 匹配号码 |A| 有限。 注意每个功能  varepsilon 稀疏集 A\子集E 匹配长度 l(A) 也是有限的。

6.让 c= supl(A) 在哪里  sup 承担全部  varepsilon 稀疏集 A\子集E 。 然后公平

引理1。有  varepsilon 稀疏集 C = \左\ {a_1,\ ldots,a_k \右\} 这样 l(C)=c , C 是  varepsilon 网络中 E , f(C) 也是  varepsilon 网络中 E 和任何 ai,aj\在C 将是  rho left(ai,aj right)= rho left(f left(ai right),f left(aj right) right) 。

7. 引理2.地图 f 持续地 E 。 更确切地说:如果  rho(x,y)< varepsilon 对于任何 x,y\在E 然后  rho(f(x),f(y))<5 varepsilon 。

证明 。 考虑一下  varepsilon 网路 C 来自引理1。如果 x 不属于球 Qai, varepsilon 然后 x 不属于 Qf\左(ai\右), varepsilon 。 这意味着有这样的 我 那 x inQai, varepsilon 和 f(x) inQf left(ai right), varepsilon 。 同样,有 j 那 y inQaj, varepsilon 和 f(y) inQf left(aj right), varepsilon 。 率  rho(f(x),f(y)) 。 很明显  rho(f(x),f(y))< rho\左(f\左(ai\右),f\左(aj\右)\右)+ varepsilon+ varepsilon= rho\左(ai,aj\右)+2 varepsilon 。 由于  rho(x,y)< varepsilon 和 x inQai, varepsilon , y inQaj, varepsilon 然后  rho\左(ai,aj\右)<3 varepsilon 。 因此  rho(f(x),f(y))<5 varepsilon 。

所以我们证明了 f 连续显示 E 在 E 。 从引理1得出  varepsilon>0 存在  varepsilon 网络中 E 这样 f 保持此网络元素之间的距离。 因此,对于任何一点 x,y\在E 可以找到序列 xn rightarrowx , yn\右箭头y 这样  rho\左(f\左(xn\右),f\左(yn\右)\右)= rho\左(xn,yn\右) 。 但是  rho\左(xn,yn\右) rightarrow rho(x,y) 在 n rightarrow infty 。 从映射的连续性 f 因此 f\左(xn\右)\右箭头f(x) , f\左(yn\右)\右箭头f(y) 在 n rightarrow infty 。 因此  rho\左(f\左(xn\右),f\左(yn\右)\右) rightarrow rho(f(x),f(y)) 在 n rightarrow infty 。 而且因为任何 n 平等持有  r h o \左(x n ,y n \右) = r h o \左( f \左(x n \右), f \左(y n \右) \右)  然后  r h o ( x , y ) = r h o ( f ( x ), f ( y ))  。

备注


Boshernitsan定理的这一证明是基于与我的学生朋友(现为美国数学家列昂尼德·卢森堡)在他访问莫斯科期间的对话而得出的,这是我对他提出的想法的介绍。


Slobodnik Semyon Grigoryevich ,
应用程序“ Tutor:mathematics”的内容开发人员(请参阅有关Habré的文章 ),物理和数学科学的候选人,莫斯科179学校的数学老师

Source: https://habr.com/ru/post/zh-CN417225/


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