Häufungspunkte in metrischen Räumen

Sei MM ein metrischer Raum und AMA\subseteq M eine Teilmenge davon.
Ein Punkt xMx\in M heißt Berührungspunkt von AA, wenn jede Umgebung um xx wenigstens einen Punkt aAa\in A enthält.
Ein Punkt xMx\in M heißt Häufungspunkt von AA, wenn jede Umgebung um xx wenigstens einen von xx verschiedenen Punkt aAa\in A enthält. Die Menge der Häufungspunkte von AA wird mit AA' bezeichnet.
Ein Häufungspunkt der Menge AA muss nicht unbedingt zur Menge gehören. Ein Punkt von AA, der kein Häufungspunkt ist, heißt isolierter Punkt. Ein isolierter Punkt ist also Element der Menge AAA\setminus A'.

Perfekte Mengen

Eine Teilmenge AA eines metrischen Raums heißt perfekt, wenn sie abgeschlossen ist und jeder ihrer Punkte Häufungspunkt, also A=AA=A' gilt.

Satz 5226B

Für jede Teilmenge AMA\subseteq M gilt:
  1. AA\partial A\subseteq A'
  2. Die Menge AA ist genau dann abgeschlossen, wenn sie alle ihre Häufungspunkte enthält, also AAA'\subseteq A gilt.
  3. AA=AA=A°AA\cup A'= A\cup \partial A=A°\cup \partial A ist abgeschlossen
  4. AA=A°A=AA\cup \partial A=A°\cup \partial A=\overline A ist abgeschlossen todo!

Beweis

(ii) AA\partial A\subseteq A' kann direkt aus der Definition der Rand- und Häufungspunkte abgelesen werden.
(iii) "\Rightarrow": Sei AA abgeschlossen und xAx\in A'. Dann gilt für jede Umgebung U(x)U(x):
U(x)AU(x)\cap A \neq \emptyset. (1)
Wir nehmen an, dass xAx\notin A, also xMAx\in M\setminus A. MAM\setminus A ist nach Voraussetzung offen, daher existiert eine ϵ\epsilon-Umgebung mit Uϵ(x)MAU_\epsilon(x)\subseteq M\setminus A, also Uϵ(x)A=U_\epsilon(x)\cap A=\emptyset, im Widerspruch zu (1). Also gilt xAx\in A und daher AAA'\subseteq A.
"\Leftarrow": AA enthalte alle seine Häufungspunkte. Dann enthält MAM\setminus A keinen Häufungspunkt. Wenn nun xMAx\in M\setminus A gilt xAx\notin A' und es muss ein U(x)U(x) existieren mit U(x)A=U(x)\cap A=\emptyset, also U(x)MAU(x)\subseteq M\setminus A Wir finden damit eine ϵ\epsilon-Umgebung um xx, die ganz in MAM\setminus A liegt, also ist xx innerer Punkt von MAM\setminus A. Damit ist MAM\setminus A offen und AA abgeschlossen.
(iv) Aus (ii) folgt dann auch AAAAA\cup A'\supseteq A\cup \partial A. Die andere Inklusion zeigen wir folgendermaßen: wenn xAx\in A gilt, dann ist auch xAAx\in A\cup \partial A. Bleibt der Fall xAAx\in A'\setminus A, dann gilt - weil xx Häufungspunkt ist - dass alle Umgebungen U(x)U(x) einen Punkt von AA enthalten. Andererseits ist xAx\notin A, also xMAx\in M\setminus A und U(x)U(x) enthält wenigstens einen Punkt von MAM\setminus A nämlich xx. Damit gilt xAx\in \partial A und somit die andere Inklusion.
Die Identität AA=A°AA\cup \partial A=A°\cup \partial A ergibt sich unter Benutzung von (i) und Satz 5226A rein mengenalgebraisch.
Die Abgeschlossenheit von AAA\cup A' folgt aus (iii).

Satz 15W3

Sei AMA\subset M Teilmenge eine metrischen Raums und aMa\in M Häufungspunkt von AA. Dann ist AA unendlich.

Beweis

Indirekt: Sei AA endlich mit nNn\in \domN Elementen.
Wir finden mit x1x_1 einen beliebigen Punkt aus der 11-Umgebung um xx, der auch zu AA gehört. Sei nun ϵ2=d(x1,a)2\epsilon_2=\dfrac {d(x_1,a)} 2. Dann gilt: x1Uϵ2(a)x_1\notin U_{\epsilon_2}(a). Nach Definition des Häufungspunkts muss es aber ein x2Uϵ2(a)Ax_2\in U_{\epsilon_2}(a)\cap A geben, wobei natürlich x1x2x_1\neq x_2 ist. Wenden wir diese Methode fortwährend an, können wir aber mehr als nn verschiedene Elemente von AA konstruieren, was ein Widerspruch zu Endlichkeit von AA ist. \qed
 
 

Wie ist es möglich, daß die Mathematik, letztlich doch ein Produkt menschlichen Denkens unabhängig von der Erfahrung, den wirklichen Gegebenheiten so wunderbar entspricht?

Albert Einstein

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