하이네-보렐 정리
Proof of heine borel Theorem
정리
정의
실수의 부분집합 $E \subset \mathbb{R}$ 에 대해 $\displaystyle E \subset \bigcup_{\alpha \in \forall} ( x_{\alpha} , y_{\alpha})$ 을 만족하는 개구간의 집합 $\mathcal{O} = \left\{ ( x , y ) \ | \ x < y \right\}$ 을 $E$ 의 오픈 커버링open covering이라 한다. 이러한 $E$ 가 컴팩트compact라는 것은 $E$ 의 모든 오픈 커버링 $\mathcal{O}$ 에 대해 $\displaystyle E \subset \bigcup_{i =1}^{m} O_{i}$ 를 만족하는 $\mathcal{O}$ 의 유한부분집합 $\left\{ O_{1} , O_{2} , \cdots , O_{m} \right\}$ 가 존재한다는 것과 동치다.
하이네-보렐
$E \in \mathbb{R}$ 가 컴팩트인 필요충분조건은 $E$ 가 유계고 닫힌 집합이다.
설명
쉽게 말해 폐구간 $[a,b]$ 는 볼 것도 없이 컴팩트라는 것이다. 다른 동치조건으로 ’$E$ 의 모든 무한 부분 집합은 집적점 $p\in E$를 갖는다.’가 있으나 적어도 유클리드 공간 $\mathbb{R}$ 에서는 위의 표현만 알아두어도 충분할 것이다.
증명
$(\Longrightarrow)$
$E$ 가 컴팩트이므로 어떤 실수 $r$ 에 대해
$$ E \subset \bigcup_{k =1}^{N} (r - k , r + k) $$
를 만족하는 자연수 $N$ 이 존재하고, 따라서 $E$ 는 유계다. 그뿐만 아니라 공집합은 유계의 조건을 만족시키지 못하므로 $E \ne \emptyset$ 임을 확신할 수 있다. 귀류법을 사용하기 위해 $E$ 가 열린 집합이라고 가정하자.
$E$ 가 유한집합일 경우 홑원소 집합의 유한 합집합은 자명하게 닫힌 집합이므로 $E$ 는 무한집합임을 가정할 것이고, 그러면 $E$ 에 포함되지 않은 집적점 $\displaystyle \lim_{k \to \infty} x_{k} = x$ 가 적어도 하나 존재]할 것이다. $E$ 내부의 점 $y_{i} \in E$ 에 대해 $d_{i} := |x- y_{i}| / 2$ 이라고 두면 $x \notin E$ 이므로 $d_{i} > 0$ 일 것이다. 그럼 마찬가지로 $E$ 가 컴팩트이므로
$$ \displaystyle E \subset \bigcup_{i =1}^{M} (r - d_{i} , r + d_{i}) $$
를 만족하는 자연수 $M$ 이 존재한다. $d_{i}$ 는 유한히 존재하므로 그 최솟값 $d_{0} : = \min \left\{ d_{1} , d_{2} , \cdots , d_{M} \right\}$ 이 존재하고 삼각부등식에 의해 아래의 전개가 성립해야한다.
$$ \begin{align*} d_{i} \ge & |x_{k} - y_{i}| \\ \ge & |x - y_{i}| - |x - x_{k} | \\ = & 2 d_{i} - |x - x_{k}| \\ > & 2 d_{i} - d_{0} \\ \ge & 2 d_{i} - d_{i} \\ = & d_{i} \end{align*} $$
정리하면 $d_{i} > d_{i}$ 이므로 이는 모순이고 $E$ 는 닫혀있다.
$(\Longleftarrow)$
유계면서 닫혀있는 집합 $E := [a,b]$ 을 생각해보면 된다. 폐구간 $[a,b]$ 에 대해 $\displaystyle \left[a , {{a+b} \over {2}} \right]$ 를 왼쪽 절반, $\displaystyle \left[{{a+b} \over {2}} , b \right]$ 를 오른쪽 절반이라고 하자.귀류법을 사용하기 위해 폐구간 $[a,b]$ 가 어떤 $\mathcal{O}$ 의 유한한 원소들의 합집합 $\displaystyle \bigcup_{i =1}^{m} O_{i}$ 에 포함되지 않는다고 가정해보자.
만약 $\displaystyle \left[a , {{a+b} \over {2}} \right]$ 와 $\displaystyle \left[{{a+b} \over {2}} , b \right]$ 모두가 어떤 $\displaystyle \bigcup_{i \in I } O_{i}$ 에 포함되면 $\displaystyle [a,b] \subset \bigcup_{i =1}^{m} O_{i}$ 로 나타낼 수 있으므로, $[a,b]$ 의 왼쪽 절반 혹은 오른쪽 절반 둘 중 하나는 어떤 $\displaystyle \bigcup_{i \in I } O_{i}$ 에 포함되지 않아야만한다. 포함되지 않은 쪽의 절반을 $[a_{1} , b_{1}]$ 이라 하자.위의 과정은 $[a_{n+1}, b_{n+1}] \subset [a_{n} , b_{n}]$ 에 대해 반복될 수 있고, $\displaystyle b_{n} - a_{n} = {{1} \over {2^n}} (b-a)$ 이므로
$$ \displaystyle \lim_{ n \to \infty } ( b_{n} - a_{n} ) = 0 $$
칸토어의 축소구간 정리: 내포된 구간 $[a_{n}, b_{n}]$ 에 대해서 $\displaystyle \lim_{n \to \infty} (b_{n} - a_{n}) = 0$ 이면 $\displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty} [a_{n}, b_{n}]$ 은 홑원소 집합이다.
칸토어의 축소구간 정리에 의해 $\displaystyle \bigcap_{n=1}^{\infty} [a_{n}, b_{n}]$ 은 단 하나의 원소 $p$ 를 가지므로 $p \in [a,b]$ 이어야한다. 그러면 아주 작은 양수 $\varepsilon >0$ 에 대해
$$ ( p - \varepsilon , p + \varepsilon) \subset O $$
를 만족하는 $O \in \mathcal{O}$ 가 존재할 것이다. 여기서 $\displaystyle { {b-a} \over { 2^{ n_{0} } } } < \varepsilon$ 을 만족하도록 하는 자연수 $n_{0}$ 을 잡으면
$$ p \in [a_{n_{0}},b_{n_{0}},] \subset (p - \varepsilon , p + \varepsilon ) \subset O $$
본디 $[a_{n_{0}},b_{n_{0}}]$ 는 어떤 $O_{i}$ 들의 합집합에 포함되지 않도록 잡은 것이었으나, $O$ 에 포함되어버렸다. 따라서 $\displaystyle [a,b] \subset \bigcup_{i =1}^{m} O_{i}$ 이어야한다.
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유클리드 공간 상에서의 하이네-보렐 정리
$E \subset \mathbb{C}^{n}$ 에 대해 $E$ 가 컴팩트인 필요충분조건은 $E$ 가 유계고 닫힌 집합이다.
한편, 이 정리는 $E \subset \mathbb{C}^{n}$ 에 대해서도 성립한다.