연속사상 [0,1]→[0,1]2가 정사각형을 가득 채울 수 있습니다 — 9개 정사각형 뱀 행렬을 재귀적으로 반복하면 균등수렴하는 근사 곡선들이 전사 연속 극한을 만듭니다. 단사성은 불가능합니다 (Netto 정리, 완전 증명).
γn→γ uniformly,γ:[0,1]→[0,1]2 continuous and onto
No continuous bijection [0,1]→[0,1]2 exists
예제
차수 k 근사곡선 pk:[0,1]→[0,1]2 (9개의 부분정사각형을 뱀 모양으로 도는 꺾은선의 재귀적 세분)가 균등 코시 수열임을 보이고, 균등 극한 p가 연속임을 완전히 증명하세요.
∥pk+1−pk∥∞≤3k2→0
차수 k=1: 9개의 선분이 9개의 부분정사각형 중심을 뱀 모양으로 잇습니다 — 이 패턴이 각 정사각형 안에서 재귀적으로 반복됩니다.증명 보기
각 pk는 꺾은선이므로 연속입니다. 매개화는 다음과 같습니다: pk는 각 구간 [(j−1)/9k,j/9k]를 j번째 k단계 부분정사각형 Qj(k) (한 변 3−k) 안에서 뱀 모양 순서대로 돕니다.
pk+1은 세분(refinement)입니다: 구간 [(j−1)/9k,j/9k] 위에서 pk+1은 같은 Qj(k) 안에 들어 있는 9개의 (k+1)단계 부분정사각형을 돕니다 (재귀가 각 Qj 안에서 같은 패턴을 적용하므로). 따라서 모든 t에 대해 pk(t)와 pk+1(t)는 같은 Qj(k) 안에 있고, ∣pk+1(t)−pk(t)∣≤diamQj(k)=23−k입니다. 즉 (pk)는 균등 코시 수열이므로 균등수렴합니다 — 극한을 p라 하세요.
연속함수들의 균등 극한은 연속입니다: ∣p(s)−p(t)∣≤∣p(s)−pk(s)∣+∣pk(s)−pk(t)∣+∣pk(t)−p(t)∣에서, 균등수렴으로 첫째·셋째 항을 작게 한 뒤 고정된 k에 대해 pk의 연속성으로 가운데 항을 작게 하면 됩니다 (ε/3 논증). 따라서 p:[0,1]→[0,1]2는 연속인 극한 곡선입니다.
위 문제의 극한 곡선 p:[0,1]→[0,1]2가 전사함수임을 완전히 증명하세요.
p([0,1])=[0,1]2
차수 k=2: 81개의 선분이 9×9 격자의 모든 칸을 방문합니다 — 차수가 올라갈수록 정사각형이 채워집니다.증명 보기
y∈[0,1]2를 임의로 잡습니다. 각 단계 k에서 y는 어떤 k단계 부분정사각형 Q(k) (한 변 3−k) 안에 들어 있습니다. pk는 모든 k단계 부분정사각형을 방문하므로, pk(tk)∈Q(k)인 tk가 존재합니다.
(tk)는 [0,1]의 수열이므로 컴팩트성에 의해 수렴하는 부분수열 tkj→t가 존재합니다. 연속성에 의해 p(tkj)→p(t)입니다. 그런데 ∣p(tkj)−y∣≤∣p(tkj)−pkj(tkj)∣+∣pkj(tkj)−y∣에서, 첫째 항은 균등수렴에 의해, 둘째 항은 두 점이 모두 같은 Q(kj) 안에 있으므로, 각각 23−kj→0으로 수렴합니다. 따라서 p(t)=y입니다.
y가 임의였으므로 p는 [0,1]2의 모든 점을 지나갑니다 — 연속인 전사함수 p:[0,1]→[0,1]2입니다. 1차원 구간이 2차원 정사각형을 "채울" 수 있다는 것이 페아노의 발견(1890)입니다.
연속인 전단사함수 [0,1]→[0,1]2는 존재하지 않음을 완전히 증명하세요 (Netto 정리). 따라서 위의 페아노 곡선은 단사함수일 수 없습니다.
no continuous bijection [0,1]→[0,1]2
차수 k=3: 729개의 선분 — 곡선이 자기 자신을 수없이 가로지르므로 단사일 수 없음이 눈으로 보입니다.증명 보기
두 보조정리부터 증명합니다. (A) 컴팩트 집합의 연속상은 컴팩트: K 컴팩트, f 연속이면 f(K)의 열린 덮개 {Ui}에 대해 {f−1(Ui)}는 K의 열린 덮개이므로 유한 부분덮개가 있고, 그 상들이 f(K)를 덮습니다. (B) Hausdorff 공간의 컴팩트 부분집합은 닫혀 있음: K⊆Y 컴팩트, y∈/K이면 각 x∈K에 대해 서로소인 근방 Ux∋x, Vx∋y가 존재하고 (Hausdorff), 유한개의 Uxi가 K를 덮으므로 ⋂Vxi는 K와 만나지 않는 y의 근방입니다.
Netto 정리: 컴팩트 공간에서 Hausdorff 공간으로의 연속 전단사는 동형사상(homeomorphism)입니다. 실제로 F⊆K가 닫혀 있으면 F는 컴팩트하고, f(F)는 (A)에 의해 컴팩트하므로 (B)에 의해 Y에서 닫혀 있습니다 — 즉 f는 닫힌 사상입니다. 닫힌 전단사는 동형사상입니다 ((f−1)−1(F)=f(F)가 닫혀 있으므로 f−1이 연속).
이제 f:[0,1]→[0,1]2가 연속 전단사라고 가정하면 동형사상이어야 합니다. 내부의 점 c∈(0,1)을 제거하면 [0,1]∖{c}=[0,c)∪(c,1]은 서로소인 비어 있지 않은 열린 집합으로 분리되므로 연결집합이 아닙니다. 그러나 [0,1]2에서 한 점을 제거한 공간은 경로연결(두 점을 그 점을 피해 이어 붙이면 됩니다) — 따라서 연결집합입니다. 동형사상은 점을 제거한 공간으로 제한해도 동형사상이므로 모순입니다. 따라서 연속 전단사는 존재하지 않고, 페아노 전사함수는 단사일 수 없습니다.