K를 컴팩트 거리공간, F⊂C(K)를 상한 노름에서 상대 컴팩트라고 하자. 유한 ε/3-net을 이용해 F가 등연속임을 증명하세요 (힌트: 각 net 원소는 컴팩트 K 위에서 균등연속).
∣f(x)−f(y)∣≤∥f−gj∥∞+∣gj(x)−gj(y)∣+∥gj−f∥∞<ε
멤버 6개: 상한 오차 31→41→51→61→71→81=0.125 — ∣ak∣≤43인 23-Lipschitz 수열이 균등수렴합니다.증명 보기
상대 컴팩트이면 완전 유계입니다: 임의의 ε>0에 대해 폐포 F의 유한 ε/3-net {g1,…,gm}이 존재합니다. 즉 모든 f∈F에 대해 ∥f−gj∥∞<ε/3인 gj가 있습니다. gj는 F에 속하지 않아도 됩니다 — 연속이기만 하면 됩니다.
각 gj는 컴팩트 거리공간 K 위에서 연속이므로 균등연속입니다 (Heine–Cantor): d(x,y)<δj이면 ∣gj(x)−gj(y)∣<ε/3인 δj>0이 존재합니다. δ=minjδj>0으로 둡니다 — 이 δ는 f에 의존하지 않습니다.
이제 f∈F와 d(x,y)<δ인 x,y를 봅니다. ∥f−gj∥∞<ε/3인 gj를 고르면 삼각부등식으로 ∣f(x)−f(y)∣≤∣f(x)−gj(x)∣+∣gj(x)−gj(y)∣+∣gj(y)−f(y)∣<ε/3+ε/3+ε/3=ε입니다. δ가 모든 f∈F에 공통이므로 F는 등연속입니다.
덧붙여 상대 컴팩트는 균등 유계를 줍니다 (유계 집합의 폐포는 유계): M=supf∈F∥f∥∞<∞. 역으로 컴팩트 K 위에서는 점별 유계 + 등연속이면 균등 유계가 따라옵니다: ε=1에 대한 등연속 δ로 K를 유한 δ-net {y1,…,yr}로 덮으면, 각 x는 어떤 yi에 δ-근접하므로 ∣f(x)∣≤∣f(yi)∣+1≤maxisupf∣f(yi)∣+1입니다.
K를 컴팩트 거리공간, {xk}를 K의 가산 조밀 부분집합, (fn)을 supn∥fn∥∞≤M인 C(K)의 수열이라 하자. 대각선 논법으로 모든 xk에서 수렴하는 부분수열을 구성하세요.
n(1)⊃n(2)⊃⋯(nested index sequences),mj=nj(j)(diagonal)
멤버 6개: 진폭 ak=21+k+2(−1)k가 61,43,103,32,145,85로 21를 오가며 접근 — 대각선 추출이 이런 진동 수열을 길어내는 방식입니다.증명 보기
컴팩트 거리공간은 가분입니다 (각 r에 대한 유한 1/r-net의 합집합). 이제 수열 (fn)을 봅니다. 각 k에 대해 수열 (fn(xk))n은 [−M,M]에 갇힌 실수 수열이므로, Bolzano–Weierstrass 정리로 수렴하는 부분수열을 가집니다.
중첩된 지표 수열을 만듭니다: n1(1)<n2(1)<⋯에서 fnj(1)(x1)이 수렴하도록 고르고, 귀납적으로 n(k)를 n(k−1)의 부분수열이면서 fnj(k)(xk)가 수렴하도록 고릅니다. k를 고정하면 n(k) 이후의 모든 단계는 그 부분수열이므로, x1,…,xk에서의 수렴이 유지됩니다.
대각선 mj=nj(j)를 둡니다. k를 고정하면, j≥k인 꼬리 (mj)j≥k는 (nj(k))의 부분수열입니다 (중첩 구조 덕분에 mj=nj(j)가 n(k)의 항들 중에서 strictly increasing하게 뽑히기 때문). 따라서 fmj(xk)가 수렴합니다. k가 임의였으므로 (fmj)는 모든 xk에서 수렴합니다 — 조밀 집합 위의 점별 수렴입니다.
주의: 여기서는 점별 유계만 썼습니다. 이 점별 수렴을 K 전체에서의 균등수렴으로 끌어올리는 것이 등연속의 역할이며, 다음 문제에서 ε/3 논증으로 수행합니다.
등연속인 점별 유계 수열 (fn)⊂C(K) (K 컴팩트 거리공간)가 가산 조밀 집합 {xk} 위에서 점별 수렴한다고 하자. ε/3 논증으로 이 수렴이 K 전체에서 균등함을 증명하고, 따름정리로 (xn)이 [0,1]에서 균등수렴하는 부분수열을 갖지 않음을 보이세요.
멤버 6개: ∥fak−f∗∥∞=k+21가 0으로 — 등연속성이 조밀 집합 위의 수렴을 전체 구간으로 퍼뜨린 결과입니다.증명 보기
ε>0이 주어지면 등연속성에서 δ>0을 얻습니다: d(x,y)<δ이면 모든 n에 대해 ∣fn(x)−fn(y)∣<ε/3. K가 컴팩트이므로 조밀 집합 {xk} 중에서 유한 δ-net xk1,…,xkr을 뽑을 수 있습니다.
유한 개의 점 xki에서는 점별 수렴이 "균등"해집니다: N을 크게 잡아 j,ℓ≥N이면 모든 i에 대해 ∣fmj(xki)−fmℓ(xki)∣<ε/3이 되도록 합니다 (유한 교집합).
임의의 x∈K에 대해 d(x,xki)<δ인 xki를 고릅니다. 삼각부등식: ∣fmj(x)−fmℓ(x)∣≤∣fmj(x)−fmj(xki)∣+∣fmj(xki)−fmℓ(xki)∣+∣fmℓ(xki)−fmℓ(x)∣<ε/3+ε/3+ε/3=ε. 따라서 (fmj)는 균등 Cauchy이므로, C(K)의 완비성에 의해 균등수렴합니다.
이로써 (⟸)가 완성됩니다: 점별 유계 + 등연속이면 (앞 문제의 언급대로) 균등 유계이고, 모든 수열이 균등수렴 부분수열을 가지므로, 거리공간에서의 순차 컴팩트성에 의해 집합은 상대 컴팩트입니다.
따름정리: (xn)은 [0,1]에서 균등수렴하는 부분수열을 갖지 않습니다. 점별 극한은 [0,1)에서 0, x=1에서 1로 불연속입니다. 만약 어떤 부분수열이 균등수렴했다면 그 극한은 연속함수들의 균등 극한이므로 연속이어야 하고, 점별 극한과 일치해야 하므로 모순입니다. 즉 {xn}은 x=1에서 등연속이 아닙니다 — 씬의 대조군 차트가 보여주듯 서로 다른 두 항의 상한 거리는 0.47 이상으로 벌어진 채 남습니다.