方企勤 第五章 多元函数微分学 第2题

教材习题

📝 题目

例 2 设 $A \subset {\mathbf{R}}^{m},B \subset {\mathbf{R}}^{m}$ ,证明:

(1) ${\left( A \cap B\right) }^{ \circ } = {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }$ ; (2) $\overline{A \cup B} = \overline{A} \cup \overline{B}$ .

💡 答案解析

证明 (1) 证法 $1\forall x \in {\left( A \cap B\right) }^{ \circ }$ ,由内点定义, $\exists$ 邻域 $U(x$ ; $\delta ) \subset A \cap B$ ,因而 $U\left( {x;\delta }\right) \subset A,U\left( {x;\delta }\right) \subset B$ ,故 $x \in {A}^{ \circ },x \in {B}^{ \circ }$ ,所以 $\mathbf{x} \in {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }$ ,即得

$$ {\left( A \cap B\right) }^{ \circ } \subset {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }\text{ . } \tag{1.1} $$

$\forall x \in {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }$ ,这等价于 $x \in {A}^{ \circ },x \in {B}^{ \circ }$ ,由内点定义, $\exists U\left( {x;{\delta }_{1}}\right)$ $\subset A,U\left( {x;{\delta }_{2}}\right) \subset B$ ,取 $= \min \left( {{\delta }_{1},{\delta }_{2}}\right) > 0$ ,有 $U\left( {x;\delta }\right) \subset A \cap B$ ,所以 $x \in$ ${\left( A \cap B\right) }^{ \circ }$ ,即得

$$ {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ } \subset {\left( A \cap B\right) }^{ \circ }\text{ . } \tag{1.2} $$

由 (1.1) 与 (1.2) 式便得 ${\left( A \cap B\right) }^{ \circ } = {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }$ .

证法 2 因 ${A}^{ \circ } \subset A,{B}^{ \circ } \subset B$ ,所以 ${A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ } \subset A \cap B$ ,由于 ${A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }$ 为开集,推出 ${A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ } = {\left( {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }\right) }^{ \circ } \subset {\left( A \cap B\right) }^{ \circ }$ . 反之,由 $A \cap B \subset A,A \cap$ $B \subset B$ ,可得 ${\left( A \cap B\right) }^{ \circ } \subset {A}^{ \circ },{\left( A \cap B\right) }^{ \circ } \subset {B}^{ \circ }$ ,从而推出 ${\left( A \cap B\right) }^{ \circ } \subset {A}^{ \circ } \cap$ ${B}^{ \circ }$ . 最后即得 ${\left( A \cap B\right) }^{ \circ } = {A}^{ \circ } \cap {B}^{ \circ }$ .

(2)类似于上面用聚点定义和闭包性质两种证法外,还可用开闭集的关系来证.

因为 $\bar{E} = {\left( {\left( {E}^{c}\right) }^{ \circ }\right) }^{c}$ ,所以

$$ \bar{A} \cup \bar{B} = {\left( {\left( {A}^{c}\right) }^{ \circ }\right) }^{c} \cup {\left( {\left( {B}^{c}\right) }^{ \circ }\right) }^{c} = {\left( {\left( {A}^{c}\right) }^{ \circ } \cap {\left( {B}^{c}\right) }^{ \circ }\right) }^{c} $$

$$ = {\left( {\left( {A}^{c} \cap {B}^{c}\right) }^{ \circ }\right) }^{c} = {\left( {\left( {\left( A \cup B\right) }^{c}\right) }^{ \circ }\right) }^{c} = \overline{A \cup B}\text{ . } $$

📋 详细解题步骤

步骤 1/4
目标:证明 (1) 包含关系 (A∩B)° ⊂ A°∩B°
任取 x ∈ (A∩B)°,由内点定义,存在邻域 U(x;δ) ⊂ A∩B,从而 U(x;δ) ⊂ A 且 U(x;δ) ⊂ B,故 x ∈ A° 且 x ∈ B°,即 x ∈ A°∩B°。因此 (A∩B)° ⊂ A°∩B°。
提示:利用内点定义:存在邻域完全包含于集合。
步骤 2/4
目标:证明 (1) 反向包含关系 A°∩B° ⊂ (A∩B)°
任取 x ∈ A°∩B°,则 x ∈ A° 且 x ∈ B°。由内点定义,存在 δ1>0 使 U(x;δ1) ⊂ A,存在 δ2>0 使 U(x;δ2) ⊂ B。取 δ = min(δ1,δ2),则 U(x;δ) ⊂ A∩B,故 x ∈ (A∩B)°。因此 A°∩B° ⊂ (A∩B)°。
提示:取两个邻域半径的最小值。
步骤 3/4
目标:由两个包含关系得等式 (A∩B)° = A°∩B°
由前两步的包含关系,即得 (A∩B)° = A°∩B°。
提示:集合相等需双向包含。
步骤 4/4
目标:证明 (2) 等式 A∪B 的闭包等于 A 的闭包并 B 的闭包
利用闭包与内部的关系:E̅ = ( (E^c)° )^c。则 A̅ ∪ B̅ = ( (A^c)° )^c ∪ ( (B^c)° )^c = ( (A^c)° ∩ (B^c)° )^c。由 (1) 的结论, (A^c)° ∩ (B^c)° = (A^c ∩ B^c)° = ( (A∪B)^c )°。因此 A̅ ∪ B̅ = ( ( (A∪B)^c )° )^c = A∪B 的闭包。
公式:E̅ = ( (E^c)° )^c
提示:利用对偶性质将闭包转化为内部。

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