Analiză matematică/Topologie pe R

În cele ce urmează se vor studia, pe mulțimea numerelor reale concepte ca vecinătate, convergență și limită, noțiuni specifice unui spațiu topologic.

Vecinătăți

modificare
 
Ilustrarea vecinătăţii   a punctului  

Fie   un punct situat pe dreapta reală. Se va numi vecinătate a lui   orice mulțime   care conține un interval deschis   care conține pe   deci  

Vecinătățile lui   posedă următoarele proprietăți:

1) Orice mulțime   care conține pe   este tot o vecinătate a lui   deoarece    

2) Intersecția a două vecinătăți ale lui   este tot o vecinătate a lui  

3) Oricare ar fi punctele   de pe dreapta reală, există o vecinătate   a lui   și o vecinătate   a lui   fără puncte comune:  

Dacă   există un număr   astfel încât   vecinătățile   îndeplinesc condiția cerută, deoarece  

În cazul mulțimii numerelor reale, se folosesc de obicei pentru vecinătăți vecinătățile simetrice:

  sau  

Mulțimi închise, mulțimi deschise

modificare

Un punct   este interior unei mulțimi   dacă există o vecinătate   a lui   conținută în   deci:

 

Un punct   este exterior unei mulțimi   dacă există o vecinătate a lui   ale cărei puncte aparțin lui  

Un punct   este punct frontieră al unei mulțimi   dacă orice vecinătate a lui   conține puncte ale lui   și ale lui  

Exemplu: Pentru intervalul închis   punctul   este interior,   este punct frontieră, iar   este punct exterior.

O mulțime care are toate elementele sale puncte interioare se numește mulțime deschisă.

Exemplu: Mulțimile:   unde   sunt mulțimi deschise.

Teoremă. O mulțime mărginită și infinită are cel puțin un punct de acumulare.

Demonstrație. Fie   o mulțime mărginită și infinită de puncte. Fiind mărginită, rezultă că toate punctele sale aparțin unui segment   cu   numere raționale. Se divide segmentul   în două părți egale cu ajutorul punctului   Deoarece mulțimea   este infinită, cel puțin unul din segmentele   conține o infinitate de puncte din   Se notează acest segment cu   Numerele   sunt raționale și   ș.a.m.d.

Să presupunem că am găsit două numere raționale   astfel încât segmentul   conține o infinitate de puncte din   Să notăm acea parte cu   Numerele   sunt raționale și:

 

Obținem astfel prin inducție completă șirul de intervale:

 

unde șirurile de numere:

 
 

au următoarele proprietăți:

1)  
2)  
3)   pentru orice  
4) Segmentul   conține o infinitate de puncte ale mulțimii  

Mulțimea lui Cantor

modificare
 
Primii cinci paşi în construcţia mulțimii lui Cantor

Se consideră un șir de intervale:   definit astfel:

Se ia   Se elimină din   intervalul din mijloc,   deci:

 

Se continuă procedeul: din fiecare din intervalele   se elimină intervalul din mijloc:

 

Șirul de intervale   are proprietățile:

  1.  
  2.   este reuniunea a   intervale, fiecare de lungime  

Se definește mulțimea lui Cantor ca fiind   

Teoremă. Mulțimea lui Cantor   posedă proprietățile:

a)   este mulțime compactă.

b) Mulțimea   nu conține intervale.

c) Mulțimea lui Cantor este perfectă (nu conține puncte izolate); în particular, rezultă că   nu este mulțime numărabilă.

Demonstrație.

a) Mulțimea   este mărginită (inclusă în  ) și închisă (intersecție de mulțimi închise).

b) Din contrucție, rezultă:

 

Dar orice interval   conține un interval de forma   dacă   este ales cu condiția   Rezultă că   nu conține intervale.

c) Fie   și fie   un interval arbitrar care îl conține pe   pentru orice   fie   acel interval al lui   care îl conține pe   Se alege un   suficient de mare astfel încât   Dacă se notează cu   acel capăt al intervalului   diferit de   rezultă