Определение. Открытым шаром с центром в точке $x_0$ и радиусом $\rho >0$ называется множество всех точек $x\in \mathbb{R}^n,$ таких, что $|x-x_0|<\rho.$ Этот шар обозначается $B(x_0,\rho)$ и называется также $\rho$-окрестностью точки $x_0.$
Определение. Пусть задано множество $E \subset \mathbb{R}^n.$ Точка $x_0 \in E$ называется внутренней точкой множества $E,$ если существует шар $B(x_0,\rho),$ содержащийся в $E.$ Другими словами, точка $x_0$ называется внутренней точкой множества $E,$ если она входит во множество $E$ вместе с некоторой окрестностью.
Определение. Множество $E$ называется открытым, если все его точки являются внутренними точками этого множества. Условимся также считать пустое множество $\emptyset$ открытым.
Пример 1. Каждый открытый шар $B(x_0,r)$ является открытым множеством.
Действительно, пусть $x \in B(x_0,r).$ Нужно доказать, что существует такая окрестность точки $x,$ которая целиком содержится в шаре $B(x_0,r).$ Положим $\rho = r-|x-x_0|.$ Тогда $\rho > 0,$ так как $|x-x_0|<r.$ Покажем, что $B(x,\rho) \subset B(x_0,r).$ Пусть $y \in B(x,Ѕ).$ Тогда $|y-x|<\rho.$ Оценим расстояние между точками $y$ и $x_0.$ По неравенству треугольника имеем $$|y-x_0|\leqslant|y-x|+|x-x_0|<\rho + |x-x_0|=r$$ что и требовалось доказать.
В частности, при $n = 1$ открытые шары — это интервалы на действительной прямой, и они являются открытыми множествами на прямой.
Пример 2. Рассмотрим открытые $n$-мерные интервалы. Для двух заданных векторов $a,b \in \mathbb{R}^n,$ таких, что $a^i < b^i (i=1,…,n),$ открытым интервалом называется множество всех точек $x,$ координаты которых удовлетворяют условиям $a^i < x^i < b^i (i=1,…,n).$ Такой интервал обозначается через $(a^1,b^1,…,a^n,b^n).$
В частности, в $\mathbb{R}^2$ открытые интервалы — это прямоугольники со сторонами, параллельными координатным осям, а в $\mathbb{R}^3$ — параллелепипеды, ребра которых параллельны координатным осям.
Докажем, что любой открытый интервал в $\mathbb{R}^n$ является открытым множеством.
Пусть $J$ — открытый интервал и пусть $x \in J,$ т. е. $a^i < x^i < b^i (i=1,…,n).$ Обозначим через $\delta^i = min(x^i — a^i,b^i-x^i)(i=1,…,n)$ и $\delta=min(\delta^1,…,\delta^n).$ Покажем, что шар $B(x,\delta)$ содержится в $J.$ Действительно, если $y \in B(x,\delta),$ то $|y-x|<\delta.$ Отсюда следует, что $|x^i-y^i|<\delta$ для всех $i=1,…,n.$ Пользуясь определением числа $\delta,$ видим, что $a^i < y^i < b^i$ для всех $i=1,…,n,$ так что $y \in J,$ что и требовалось доказать.
Пример 3. Множество $S$ всех точек на действительной прямой — открытое.
Рассмотрим некую точку $x,$ которая находится на расстоянии $\rho$ от точки $x_0 = (0),$ затем рассмотрим шар $B(x,\eps).$ Каждая точка, принадлежащая этому шару, также, очевидно, принадлежит всей действительной прямой, т.е. $\forall y \in B(x,\eps): y \in S,$ что означает что любая точка входит в множество $S$ вместе с некоторым шаром, а по определению это значит, что $S$ — открытое множество
Свойства открытых множеств.
Пусть $\mathcal{A}$ — множество индексов, и каждому элементу $\alpha \in \mathcal{A}$ поставлено в соответствие некоторое множество $E_{\alpha}.$ Тогда говорят, что задано семейство множеств $\{E_{\alpha}\}_{\alpha \in \mathcal{A}}.$
Теорема. Система всех открытых множеств в $\mathbb{R}^n$ обладает следующими свойствами:
- все пространство $\mathbb{R}^n$ и пустое множество $\emptyset$ открыты;
- пересечение любого конечного числа открытых множеств открыто;
- объединение любого семейства $\{G_{\alpha}\}_{\alpha \in \mathcal{A}}$ открытых множеств открыто.
- Пустое множество $\emptyset$ открыто по определению, а всё пространство $\mathbb{R}^n,$ очевидно, открыто, поскольку любой шар содержится в $\mathbb{R}^n.$
- Пусть $G_1,…,G_s$ — открытые множества, $G = \bigcap\limits_{i=1}^s G_i.$ Пусть $x \in G.$ Тогда $x \in G_i$ для всех $i=1,…,s.$ Но каждое из множеств $G_i$ открыто, так что для каждого $i=1,…,s$ найдется шар $B(x,r_i) \subset G_i.$ Среди всех этих шаров выберем шар с наименьшим радиусом $B(x,r),$ где $r = min(r_1,…,r_s).$ Тогда $B(x, r) \subset G_i$ при каждом $i=1,…,s,$ а значит, $B(x,r) \subset G,$ и тем самым доказано, что множество $G$ открыто.
- Пусть $G = \bigcup\limits_{\alpha \in \mathcal{A}} G_{\alpha},$ где каждое множество $G_{\alpha}$ открыто. Докажем, что и множество $G$ также открыто. Действительно, пусть $x \in G.$ Тогда $x$ принадлежит по крайней мере одному из множеств $G_{\alpha_0}.$ Так как это множество $G_{\alpha_0}$ открыто, то найдется окрестность $B(x,\rho) \subset G_{\alpha_0} \subset G.$ Таким образом, $G$ — открытое множество.
Замечание. Пересечение бесконечного набора открытых множеств не обязано быть открытым множеством. Например, пусть $B_k$ — открытый шар с центром в нуле и радиусом $\frac{1}{k} (k = 1,2,…).$ Тогда $\bigcap\limits^{\infty}_{k=1} B_k = \{0\}.$ Но множество $\{0\},$ состоящее из одной точки, не является открытым, поскольку оно не содержит в себе ни одного шара.
Определение. Пусть $E$ — непустое множество в $\mathbb{R}^n.$ Тогда совокупность всех его внутренних точек называется внутренностью множества $E$ и обозначается через $\mathring{E}$ или $\text{int} E.$
Теорема. Для любого непустого множества $E$ его внутренность — открытое множество.
Будем предполагать, что $\mathring{E}$ не пусто. Пусть $x \in \mathring{E}.$ Тогда $x$ — внутренняя точка множества $E$ (по определению внутренности). Нужно доказать, что $x$ является также внутренней точкой множества $\mathring{E}.$ Итак, найдется шар $B(x,\rho) \subset E.$ Но поскольку шар — открытое множество, то каждая точка $y \in B(x,\rho)$ содержится в этом шаре вместе с некоторой окрестностью $U_y.$ Значит $U_y \subset E,$ и поэтому $y$ — внутренняя точка множества $E,$ т.е. $y \in \mathring{E}.$ Таким образом, мы получили, что $B(x,\rho) \subset \mathring{E},$ а это означает, что $\mathring{E}$ — открытое множество, и теорема доказана.
Пример 4. Рассмотрим область определения функции $f(x) = \frac{1}{x}.$ $D(f) = (-\infty;0)\cup(0;\infty),$ значит $D(f)$ можно представить в виде объединения двух интервалов $D(f) = A_1 \cup A_2,$ где $A_1 = (-\infty;0); A_2 = (0;\infty),$ то есть в виде объединения двух открытых множеств, так как интервалы — открытые множества по доказанному ранее. А значит, по свойству открытых множеств, множество $D(f)$ — открытое множество.
Пример 5. Рассмотрим область определения функции $f(x) = \sqrt{3x}.$ $D(f)=\{x \in \mathbb{R} | x \geqslant 0\}.$ Это множество не является открытым, докажем это. Рассмотрим точку $x=0.$ $x \in D(f),$ однако не существует такого открытого шара $B(x,\rho),$ который полностью бы лежал в $D(f),$ так как в этом шаре будет присутствовать точка $y,$ такая что $x-\rho < y < x = 0.$ Из этого следует, что $y < 0$ и $y$ не принадлежит $D(f).$ Значит $D(f)$ не является открытым множеством.
9.2.1. Открытые множества
Для закрепления материала предложен тест по теме «Открытые множества».