在
拓扑学中,一个
拓扑空间X的
子集A称为无处稠密集,如果A的
闭包的
内部是空集。例如,
整数在
实数轴R上就形成了一个无处稠密集。
定义
以下定义等价。
(1)
拓扑空间(X,τ),A⊆X,称A是无处稠密的(亦称稀疏的,或称A为无处稠密集、稀疏集,
疏朗集),当且仅当A的
闭包的
内部是空集。或者说,A是无处稠密集,当且仅当A的闭包不含内点,或A的闭包不包含任何邻域。
(2)如果A不在X的任何一个非空开子集中稠密,就称A是无处稠密集。即对于X的任意一个非空开子集E,A在E中都不稠密。对于X的任意一个非空开子集E,A在E中稠密即是指对任意x∈E以及任意ε>0,邻域B(x,ε)中都有A的点。因此无处稠密的意思就是指,对于X的任意一个非空开子集E,存在某个x0∈E以及某个ε0>0,使得邻域B(x0,ε0)中没有A的点。
注意,“对于X的任意一个非空开子集E”这个条件是必要的,即A必须在X的任何一个开子集中都不稠密,才能被称作无处稠密。如果只是某些开子集中不稠密,而在另一些开子集中稠密,这不叫做无处稠密集。
证明:(1)推(2),设A的闭包不含内点,那么对X的任意一个非空开子集E,集合。这是因为假设,那么。然而E是非空开集,开集中的每个点都是内点,即A的闭包中每个点都是内点,这与A的闭包不含内点矛盾。既然,而开集与闭集(任一集合的闭包一定是闭集)的差集仍是开集,可知是开集。根据U是开集的事实可知,存在某个x0∈U⊆E以及某个ε0>0,邻域B(x0,ε0)⊆U。再根据差集的定义,U中不含的点,因此B(x0,ε0)也不含的点。然而,不含的点即意味着不含A的点,结合E的任意性即可得到:对于X的任意一个非空开子集E,存在某个x0∈E以及某个ε0>0,使得邻域B(x0,ε0)中没有A的点。
(2)推(1),反证法,假设A的闭包含有内点,或A的闭包包含了某个邻域E,此时E中任意一点都属于A的闭包。根据闭包的定义,A的闭包中的点均满足:任意一点的任何一个邻域与A的交集都非空。因为E中任意的点都属于A的闭包,所以E中任意一点的任意一个邻域与A的交集非空,这就表示A在E中稠密。然而,这与A是无处稠密集矛盾。
性质
(1)若E在X中无处稠密,则也在X中无处稠密,反之亦然。
这是因为若E是无处稠密集,则无内点。因为是闭集,所以,所以无内点。而无内点就意味着是无处稠密集。反之亦然。
(2)E在X中无处稠密的充要条件是在X中稠密。
必要性:设E在X中无处稠密,,要证明U在X中稠密,只需要证明。根据闭包和内部的对偶性,,因此U在X中稠密,即在X中稠密。
充分性:设在X中稠密,,则。两边取补集,,即E的闭包不含内点,因此E在X中无处稠密。
注意,E在X中无处稠密也可推出Ec在X中稠密,按照必要性的推理过程,要证Ec稠密,只要证,亦即。若假设E含内点,则存在内点p的某个邻域B(p),使得,即含有邻域,这与E是无处稠密集矛盾。因此,即Ec在X中稠密。这也就是说,无处稠密集的补集一定是稠密集。
但稠密集的补集不一定是无处稠密集,例如有理数集Q在R中稠密,但有理数集的补集,即无理数集并不无处稠密,事实上无理数集也是个稠密集。
例子
例如,
整数在
实数轴R上就形成了一个无处稠密集。这是因为数轴上任何一个开区间,只要取某个子区间落在任意两个整数之间,那么这个子区间不包含任何整数点,因此整数集Z在R内无处稠密。
注意运算的次序是很重要的,内部的闭包为空,不代表闭包的内部也为空。例如,
有理数集Q,它没有内点,因为
无理数集的稠密性,不存在这样的有理数p,使得p的某个邻域上全部是有理数,因此Q的内部是空集。而空集是闭集,Q的内部的闭包(注意不是“闭包的内部”)就是空集本身。但Q不是无处稠密集,实际上,它在R上是
稠密的,正好相反。
无处稠密与周围的空间也有关:有可能把一个集合考虑为X的子空间时就是无处稠密的,但考虑为Y的子空间时,就不是无处稠密的。显然,一个集合在它本身中总是稠密的。
开集和闭集
一个无处稠密集不一定是闭集(例如,集合 在实数集上是无处稠密集),但一定是包含在一个无处稠密的闭集(即它的闭包)内。确实,一个集合是无处稠密集,当且仅当它的闭包是无处稠密集。
无处稠密的闭集的补集是一个稠密的开集,因此无处稠密集的补集是内部为稠密的集合。
测度为正数
一个无处稠密集并不一定就是可忽略的。例如,如果X位于单位区间[0,1],不仅有可能有
勒贝格测度为零的稠密集(例如有理数集),也有可能有测度为正数的无处稠密集。
例如(一个
康托尔集的变体),从[0,1]内移除所有形为a/2n的最简
二进分数,以及旁边的区间[a/2n−1/22n+1,a/2n+1/22n+1];由于对于每一个n,这最多移除了总和为1/22n+1的区间,留下的无处稠密集的测度就至少是1/2(实际上刚刚大于0.535……,因为重叠的原因),因此在某种意义上表示了[0,1]的大多数空间。
把这个方法进行推广,我们可以在单位区间内构造出任意测度小于1的无处稠密集。
参见