Tu.o.ng ´u.ng v´o.i hai phu.o.ng ph´ap biˆe’u fiˆ˜n h`ınh ho.c sˆo´ ph´u.c d˜a du.o..c mˆoe ta’, ta s˜e du.a v`ao trong C hai mˆetric. Trong mˆetric th´u. nhˆa´t khoa’ng c´ach gi˜u.a hai diˆe’m z1, z2 ∈C du.o..c gia’ thiˆe´t b˘a`ng dC = dC(z1, z2) def= |z1−z2| =
p
(x1−x2)2+ (y1−y2)2. Mˆetric n`ay l`amˆetric Euclide thˆong thu.`o.ng trong m˘a.t ph˘a’ng R2. Trong mˆetric th´u. hai (go.i l`a mˆetric cˆ` ua ) khoa’ng c´ach gi˜u.a hai diˆe’m z1 v`a z2 ∈ C du.o..c hiˆe’u l`a khoa’ng c´ach (trong khˆong gian ξ, η, ζ) gi˜u.a c´ac a’nh cˆ` u cu’a ch´a ung. Khoa’ng c´ach n`ay du.o..c go.i l`a khoa’ng c´ach cˆ` ua
hay khoa’ng c´ach Jordan gi˜u.a hai diˆe’m z1 v`a z2 ∈C:
dCdef= dC(z1, z2).
D- i.nh l´y 1.1.11. Gia’ su.’ dC =dC(z1, z2) l`a khoa’ng c´ach cˆ` u gi˜a u.a c´ac diˆe’m
z1 =x1+iy1 v`a z2 =x2+iy2. Khi d´o
1. dC(z1, z2) = |z1−z2| (1 +|z1|2)1/2·(1 +|z2|2)1/2; (1.13) 2. Nˆe´u z2 =∞ th`ı dC(z1,∞) = p 1 1 +|z1|2; (1.14)
Ch´u.ng minh. 1. Thˆa.t vˆa.y, t`u. cˆong th´u.c (1.11) ta c´o dC(z1, z2) = [(ξ1−ξ2)2+ (η1−η2)2+ (ζ1−ζ2)2]1/2 = [ζ1+ζ2 −2(ξ1ξ2 +η1η2+ζ1ζ2)]1/2= = n |z1|2 1 +|z1|2| + |z2| 2 1 +|z2|2 −2 h x1x2 (1 +|z1|2)(1 +|z2|2) + y1y2 (1 +|z1|2)(1 +|z2|2) + |z1|2|z2|2 (1 +|z1|2)(1 +|z2|2) io1/2 = |z1|2(1 +|z2)2) +|z2|2(1 +|z1|2)−2(x1x2+y1y2)−2|z1|2|z2|2 1/2 p 1 +|z1|2 p 1 +|z2|2 = |z1|2+|z2|2−2x1x2−2y1y21/2 p 1 +|z1|2 p 1 +|z2|2 = (x1−x2)2+ (y1−y2)21/2 p 1 +|z1|2 p 1 +|z2|2 = p |z1−z2| 1 +|z1|2 p 1 +|z2|2 ·
Cˆong th´u.c (1.13) du.o..c ch´u.ng minh. 2. Trong tru.`o.ng ho..p khi z2 =∞ ta c´o
dC(z1,∞) = q ξ12+η12+ (1−ζ1)2 = (v`ız2 =∞ nˆenζ2 = 1) =p 1−ζ1 = 1 (1 +|z+ 1|2)1/2 ·
3. Hiˆe’n nhiˆen r˘a`ng dC(z1, z2) > 0 v`a dC(z1, z2) = 0 ⇔ z2 = z2 v`a
dC(z1, z2) =dC(z2, z1). Ta c`on pha’i ch´u.ng minh r˘a`ngdC(z1, z3)6dC(z1, z2)+
dC(z2, z3).
Dˆo´i v´o.i z1, z2 v`a z3 ta c´o dˆ` ng nhˆa´t sauo
(z1−z2)(1 +z3z3) = (z1−z3)(1 +z2z3) + (z3−z2)(1 +z1z3).
T`u. d´o
1.2. C´ac kh´ai niˆe.m tˆopˆo co. ba’n trˆen m˘a.t ph˘a’ng ph´u.c 35 Nhu.ng dˆe’ ´y r˘a`ng (1 +uv)(1 +u v)6(1 +|u|2)(1 +|v|2) cho nˆen |1 +z2z3|2 = (1 +z2z3)(1 +z2z3)6(1 +|z2|2)(1 +|z3|2) (1.16) v`a |1 +z1z3|2 6(1 +|z1|2)(1 +|z3|2). (1.17) T`u. c´ac hˆe. th´u.c (1.13) v`a (1.15) - (1.17) ta thu du.o..c diˆe`u pha’i ch´u.ng minh.
Ta nhˆa.n x´et r˘a`ng trˆen c´ac tˆa.p ho..p bi. ch˘a.n M ⊂ C (t´u.c l`a nh˜u.ng tˆa.p ho..p du.o..c ch´u.a trong h`ınh tr`on cˆo´ di.nh n`ao d´o{|z|6R, R <∞}) hai mˆetric Euclide v`a mˆetric - cˆ` u l`a tu.o.ng du.o.ng v´o.i nhau.a
Thˆa.t vˆa.y, nˆe´u M ⊂ {|z|6R}th`ı t`u. (1.13) ta c´o
|z1−z1|
1 +R2 6dC(z1, z2)6|z1−z2|, ∀z1, z2 ∈M.
Do d´o mˆetric cˆ` u thu.`o.ng du.o..c ´ap du.ng khi x´et c´ac tˆa.p ho..p khˆong bi.a ch˘a.n. V`a n´oi chung, khi tiˆe´n h`anh c´ac lˆa.p luˆa.n trˆen C ta su.’ du.ng mˆetric EuclidedC, c`on trˆenC th`ı su.’ du.ng mˆetric - cˆa` udC.
T`u. diˆ`u v`e u.a ch´u.ng minh trˆen dˆay c˜ung suy ra r˘a`ng viˆe.c du.a v`ao mˆo˜i mˆetric trˆen dˆay dˆ`u biˆe´ne C th`anh khˆong gian mˆetric.
1.2 C´ac kh´ai niˆe.m tˆopˆo co. ba’n trˆen m˘a.t ph˘a’ng ph´u.c
TrˆenCv`aCta d˜a du.a v`ao c´ac mˆetric tu.o.ng ´u.ng biˆe´nC v`aC th`anh nh˜u.ng khˆong gian mˆetric. Bˆay gi`o. ta du.a v`ao c´ac tˆa.p ho..p du.o..c x´et nh˜u.ng tˆopˆo tu.o.ng ´u.ng v´o.i c´ac mˆetric ˆa´y v`a qua d´o tr`ınh b`ay v˘a´n t˘a´t nh˜u.ng t´ınh chˆa´t tˆopˆo co. ba’n cu’a m˘a. t ph˘a’ng ph´u.c.
1.2.1 Tˆopˆo trˆen C
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.1. 1) Tˆa.p ho..p nh˜u.ng diˆe’m z ∈C tho’a m˜an hˆe. th´u.c
U(z0, ε) = {z ∈C:|z−z0|< ε}.
trong d´oε l`a sˆo´ du.o.ng cho tru.´o.c, du.o..c go.i l`a ε- lˆan cˆa. n cu’a diˆe’m z0. D´o l`a h`ınh tr`on v´o.i tˆam ta.iz0 v`a b´an k´ınh ε.
2) Tˆa.p ho..p nh˜u.ng diˆe’m z ∈ C tho’a m˜an hˆe. th´u.c dC(z, z0) < ε, z0 ∈ C, du.o..c go.i l`aε-lˆan cˆa. n cu’a diˆe’m z0.
T`u. hˆe. th´u.c (1.14) suy ra r˘a`ng
dC(z,∞)< ε⇔ |z|>
r
1
ε2 −1.
Do d´o ta s˜e hiˆe’u ε - lˆan cˆa.n cu’a diˆe’m∞ l`a tˆa.p ho..p
U(∞, ε) = n z∈C:|z|> 1 ε o .
D´o l`a phˆ` n ngo`ai h`ınh tr`on v´o.i tˆam ta.i gˆo´c to.a dˆo. v`a b´an k´ınha r= 1
ε.
Trong nhiˆ`u tru.`o.ng ho..p ta c`on d`ung thuˆa.t ng˜u. “lˆan cˆa.n thu’ng”. Theoe di.nh ngh˜ıa,ε-lˆan cˆa. n thu’ng cu’a diˆe’m z0 ∈C du.o..c hiˆe’u l`a
˙
U(z0, ε) =U(z0, ε)\ {z0} ={z : 0<|z−z0|< ε}.
Tu.o.ng tu..,ε-lˆan cˆa. n thu’ng cu’a diˆe’m z0 ∈C l`a tˆa.p ho..p ˙
U(z0, ε) = {z : 0< dC(z, z0)< ε}.
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.2. Gia’ su.’ tˆa.p ho..p con M ⊂C (ho˘a.cC). Diˆe’mz0 du.o..c go.i l`adiˆe’m trong cu’aM nˆe´u∃ε >0 sao choε- lˆan cˆa.n cu’a diˆe’mz0 l`a thuˆo.cM.
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.3. Tˆa.p con A ⊂ C (ho˘a.c C) du.o..c go.i l`a tˆa. p ho..p mo.’ nˆe´u mo.i diˆe’mz ∈A dˆ`u l`a diˆe’m trong cu’a n´o.e
1.2. C´ac kh´ai niˆe.m tˆopˆo co. ba’n trˆen m˘a.t ph˘a’ng ph´u.c 37
D- i.nh l´y 1.2.1. Ho. c´ac tˆa. p con mo’ cu’a. C tho’a m˜an c´ac t´ınh chˆa´t sau dˆay (c´ac tiˆen dˆ` cˆe a´u tr´uc tˆopˆo):
1. ∅ v`a C l`a nh˜u.ng tˆa. p ho..p mo.’.
2. Ho..p cu’a mˆo.t sˆo´ h˜u.u ha.n hay vˆo ha.n bˆa´t k`y c´ac tˆa.p ho..p mo.’ l`a mˆo.t tˆa. p ho..p mo.’.
3. Giao cu’a mˆo. t sˆo´ h˜u.u ha. n tˆa. p ho..p mo.’ l`a tˆa.p ho..p mo.’. Ch´u.ng minh. 1. Hiˆe’n nhiˆen.
2. Gia’ su.’ {Uλ} l`a ho. c´ac tˆa.p con mo’ n`. ao d´o. Nˆe´u z0 ∈ Uµ n`ao d´o th`ı
∃r >0 sao cho U(z0, r)⊂Uµ⊂U =S
λ
Uλ.
3. Gia’ su.’ U1, . . . , Unl`a nh˜u.ng tˆa.p ho..p mo.’. Nˆe´uU0 =
n
T
i=1
Ui =∅th`ıU mo.’ (theo 1.). Gia’ su.’ U0 6=∅v`az0 ∈U0. Khi d´o, v´o.i mˆo˜i gi´a tri.i(i = 1,2, . . . , n) s˜e tˆ` n ta.io εi >0 sao cho
U(z0, εi)⊂Ui.
Hiˆe’n nhiˆen r˘a`ng U(z0, ε)⊂U0, trong d´o
ε= min
i=1,n
|εi|>0.
V´o.i c´ach du.a v`ao kh´ai niˆe.m tˆa.p ho..p mo.’ nhu. vˆa.yCv`aCtro.’ th`anh khˆong gian tˆopˆo.
D- i.nh l´y 1.2.2. (tiˆen dˆ` t´ach Hausdorff)e . Gia’ su.’ z1 v`a z2 l`a nh˜u.ng diˆe’m kh´ac nhau cu’a C. Khi d´o tˆ` n ta.i nh˜u.ng lˆan cˆa.no 3 U(z1, .)v`a U(z2, .)sao cho
U(z1, .)∩U(z2, .) =∅.
Ch´u.ng minh. 1. Gia’ su.’ z1, z2 ∈C. D˘a.t ε = 1
4|z1−z2| v`aU(zi, .) =U(zi, ε),
i= 1,2. Gia’ su.’ ∃z ∈U(z1, ε)∩U(z2, ε). Khi d´o
4ε =|z1−z2|6|z1−z|+|z−z2| < ε+ε= 2ε.
3O’ dˆay ta k´y hiˆe.u. U(z;.) l`a h`ınh tr`on v´o.i tˆam ta.i diˆe’mz v`a v´o.i b´an k´ınh “.” s˜e du.o..c x´ac di.nh trong qu´a tr`ınh ch´u.ng minh
Diˆ`u n`ay vˆo l´e y. Vˆa.y
U(z1, ε)∩U(z2, ε) =∅.
2. Bˆay gi`o. gia’ su.’ z1 ∈C,z2 =∞. Ta s˜e ch´u.ng minh r˘a`ng lˆan cˆa.nU(z1; 1) v`a U
∞, 1
|z1|+ 2
khˆong giao nhau. Gia’ su.’ z ∈U(z1,1)∩U
∞, 1 |z1|+ 2 . V`ız∈U(z1,1) nˆen ρ(z,0) 6ρ(z, z1) +ρ(z1,0) <1 +|z1|. M˘a.t kh´ac v`ız ∈ U ∞, 1 |z1|+ 2 nˆen ρ(z,0) >|z1|+ 2. D´o l`a diˆ`u mˆaue thuˆa˜n.
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.4. Tˆa.p ho..p con A⊂C (ho˘a.cC) du.o..c go.i l`a tˆa. p d´ong nˆe´u phˆ` n b`a u CCA cu’a n´o l`a tˆa.p mo’ ..
D- i.nh l´y 1.2.3. Hˆe. c´ac tˆa.p ho..p d´ong tho’a m˜an c´ac t´ınh chˆa´t sau dˆay:
1. C v`a ∅ l`a nh˜u.ng tˆa. p d´ong.
2. Ho..p cu’a mˆo.t sˆo´ h˜u.u ha.n tˆa.p ho..p d´ong l`a tˆa.p ho..p d´ong.
3. Giao cu’a mˆo. t sˆo´ h˜u.u ha. n hay vˆo ha. n bˆa´t k`y c´ac tˆa. p ho..p d´ong l`a tˆa.p ho..p d´ong.
Ch´u.ng minh. Suy tru..c tiˆe´p t`u. di.nh l´y 1.2.1 v`a c´ac quy t˘a´c lˆa´y phˆa` n b`u.
Nhˆa. n x´et 1.2.1. T`u. di.nh l´y 1.2.1 v`a 1.2.3 suy ra r˘a`ng trˆen m˘a.t ph˘a’ng ph´u.c
C chı’ c´o ch´ınhC v`a tˆa.p ho..p ∅l`a dˆ` ng th`o.i v`o u.a d´ong v`u.a mo.’ trongC.
1.2.2 Phˆ` n trong v`a a phˆ` n ngo`a ai
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.5. Gia’ su.’ A ⊂ C, A 6= ∅. Tˆa.p ho..p c´ac diˆe’m trong cu’a A
du.o..c go.i l`aphˆ` n tronga cu’a A v`a du.o..c k´y hiˆe.u l`a
◦
A. T`u. di.nh l´y 1.2.1 suy ra r˘a`ng
◦
A l`a tˆa.p ho..p mo.’.
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.6. Phˆ` n tronga
◦
_
1.2. C´ac kh´ai niˆe.m tˆopˆo co. ba’n trˆen m˘a.t ph˘a’ng ph´u.c 39
Ta c´o
D- i.nh l´y 1.2.4. Diˆe’m z0 ∈ C l`a diˆe’m ngo`ai cu’a tˆa. p ho..p A khi v`a chı’ khi
d(z0, A)>0, trong d´o khoa’ng c´ach
d(z0, A) = inf
z0∈Ad(z0, z0).
Ch´u.ng minh. 1. V`ıd(z0, A) > 0 ⇒ U(z0, d(z0, A)) ⊂ CA, do d´o z0 l`a diˆe’m trong cu’aCA, t´u.c l`a diˆe’m ngo`ai cu’a A.
2. Nˆe´uz0 l`a diˆe’m ngo`ai cu’a A th`ı tˆ` n ta.i h`ınh tr`ono U(z0, r), r >0, n˘a`m trong CA. Nhu. vˆa.y dˆo´i v´o.i diˆe’m z ∈ A bˆa´t k`y ta c´o d(z0, z)> r v`a do d´o
d(z0, A)>r.
1.2.3 D- iˆe’m tu.
Ta x´et diˆe’m tu. cu’a tˆa.p ho..p v`a cu’a d˜ay diˆe’m trˆenC.
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.7. Diˆe’m z0 ∈ C du.o..c go.i l`a diˆe’m tu. (hay diˆe’m gi´o.i ha. n) cu’a tˆa.p ho..p A⊂C nˆe´u trong lˆan cˆa.n bˆa´t k`y cu’a n´o c´o vˆo sˆo´ diˆe’m cu’a A.
Tˆa.p ho..p c´ac diˆe’m tu. cu’a tˆa.p ho..p A thu.`o.ng du.o..c k´y hiˆe.u l`aA0. T`u. di.nh ngh˜ıa 1.2.7 suy r˘a`ng lˆan cˆa.n bˆa´t k`y cu’a diˆe’m z giao v´o.i A khi v`a chı’ khi ho˘a.c z ∈ A, ho˘a.c z l`a diˆe’m tu. cu’a A. V`ı vˆa.y, c´o thˆe’ mˆo ta’ kh´ai niˆe.m tˆa.p ho..p d´ong theo ngˆon ng˜u. lˆan cˆa.n nhu. sau:
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.4’. Tˆa.p ho..p A ⊂ C du.o..c go.i l`a d´ong nˆe´u n´o ch´u.a mo.i diˆe’m tu. cu’a n´o.
Ho..p cu’a tˆa.p ho..p A⊂C v´o.i tˆa.p ho..p mo.i diˆe’m tu. cu’a n´o du.o..c go.i l`abao d´ongcu’a tˆa.p ho..p A v`a k´y hiˆe.u l`a A.
Nhu. vˆa.y A=A∪A0.
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.8. Anh xa.´ zn:N→Cdu.o..c go.i l`a mˆo.t d˜ay diˆe’m trˆenCv`a k´y hiˆe.u l`a
zn n>0. D˜ay{zn} ⊂Cdu.o..c go.i l`ahˆo. i tu. t´o.i diˆe’mz (hayz l`agi´o.i ha. n cu’a d˜ay {zn}) nˆe´u: v´o.i mˆo˜i lˆan cˆa.n V cu’a z, dˆ`ue ∃m0 ∈ N : ∀m ∈N,
T`u. di.nh l´y 1.2.2 (tiˆen dˆe` Hausdorff) ta c´o
D- i.nh l´y 1.2.5. Trong C mo. i d˜ay hˆo. i tu. dˆ`u c´e o gi´o.i ha. n duy nhˆa´t.
Ch´u.ng minh. Nˆe´u d˜ay hˆo.i tu. zn c´o hai gi´o.i ha.n z0 v`a ˜z0 (z0 6= ˜z0) th`ı t`ım du.o..c hai lˆan cˆa.n U v`aV cu’a z0 v`a ˜z0 tu.o.ng ´u.ng sao cho U∩V =∅.
Theo di.nh ngh˜ıa gi´o.i ha.n th`ı∃m0 ∈N;n0 ∈Nsao cho: zn∈U,∀n>m0,
zn∈ V, ∀n> n0, v`ı vˆa.y zn ∈U ∩V khi n >max(m0, n0). Nhu.ng diˆ`u n`aye khˆong thˆe’ xa’y ra.
Nhˆa. n x´et 1.2.2. Gi˜u.a c´ac kh´ai niˆe.m diˆe’m tu. cu’a d˜ay {zn} v`a cu’a tˆa.p ho..p c´ac gi´a tri. {zn} c´o su.. kh´ac nhau. V´ı du., d˜ayxn= 1, n= 0,1,2, . . . c´o diˆe’m tu.x= 1, c`on tˆa.p {zn} chı’ gˆ` m mˆo.t diˆe’mo zn = 1 khˆong c´o diˆe’m tu..
1.2.4 Biˆen cu’ a tˆa. p ho..p
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.9. Tˆa.p ho..p nh˜u.ng diˆe’m cu’a Ckhˆong thuˆo.c phˆa` n trong v`a khˆong thuˆo.c phˆa` n ngo`ai cu’a tˆa.p ho..p A ⊂ C du.o..c go.i l`a biˆen cu’a A v`a k´y hiˆe.u l`a ∂A.
V`ı
◦
A∪
◦
_
CA l`a tˆa.p ho..p mo.’ nˆen ∂Al`a tˆa.p ho..p d´ong.
D- i.nh l´y 1.2.6. Diˆe’m a∈∂Akhi v`a chı’ khi lˆan cˆa. n bˆa´t k`y cu’a diˆe’m a dˆ` ngo th`o.i ch´u.a diˆe’m cu’a A v`a cu’a CA.
Ch´u.ng minh. Gia’ su.’ lˆan cˆa.n V bˆa´t k`y cu’a diˆe’m a dˆ` ng th`o.i giao v´o.io A v`a
CA: V ∩A6=∅; V ∩CA6=∅. Khi d´o V 6⊂A v`aV 6⊂CA. Suy ra a6∈ ◦ A v`a a6∈ ◦ _ CA. Vˆa.y a∈∂A.
Ngu.o..c la.i, gia’ su.’a∈∂Av`aV l`a lˆan cˆa.n n`ao d´o cu’aa. Khi d´oV ∩A6=∅
v`ı nˆe´u V ∩A=∅ th`ıV ⊂CA suy ra a thuˆo.c phˆa` n ngo`ai cu’a A. Tu.o.ng tu..
1.2. C´ac kh´ai niˆe.m tˆopˆo co. ba’n trˆen m˘a.t ph˘a’ng ph´u.c 41
1.2.5 Tˆa. p ho..p comp˘a´c
D- i.nh ngh˜ıa 1.2.10. 1. Tˆa.p ho..pA⊂Cdu.o..c go.i l`atˆa. p ho..p comp˘a´c nˆe´u n´o d´ong v`a bi. ch˘a.n.
2. Tˆa.p ho..pA ⊂Cdu.o..c go.i l`a tˆa.p comp˘a´c nˆe´u A l`a tˆa.p ho..p d´ong trong
C.
Gia’ su.’ {U} l`a ho. t`uy ´y c´ac tˆa.p ho..p mo.’ phu’ tˆa.p ho..p comp˘a´c A, t´u.c l`a mˆo˜i diˆe’m z ∈ A dˆ`u thuˆo.c ´ıt nhˆa´t l`a mˆo.t tˆa.p ho..p cu’a ho.e {U}. Ngu.`o.i ta c˜ung n´oi r˘a`ng ho.{U}l`a mˆo.t phu’ mo.’ cu’aA. Dˆo´i v´o.i c´ac tˆa.p ho..pA⊂Chai diˆ`u kiˆe.n sau dˆay l`a tu.o.ng du.o.ng v´o.i nhau:e
(I) Al`a tˆa.p ho..p comp˘a´c;
(II) t`u. mo.i phu’ mo’ cu’a. A dˆ`u c´o thˆe’ tr´ıch ra mˆo.t phu’ con h˜u.u ha.n, t´u.ce l`a c´o mˆo.t sˆo´ h˜u.u ha.n chı’ sˆo´i1, i2, . . . , in sao cho
A⊂Ui1 ∪Ui2 ∪ · · · ∪Uin, Uik ∈ {U}, k= 1,2, . . . , n.
D´o ch´ınh l`a nˆo.i dung cu’a bˆo’ dˆe` Heine - Borel - Lebesgue.
Mˆo.t trong nh˜u.ng hˆe. qua’ quan tro.ng nhˆa´t cu’a bˆo’ dˆe` Heine - Borel - Lebesgue l`a nguyˆen l´y Bozano - Weierstrass.
D- i.nh l´y 1.2.7. (nguyˆen l´y Bolzano - Weierstrass). D˜ay vˆo ha. n bˆa´t k`y
{zn}, n = 1,2, . . . (1.18)
c´ac diˆe’m cu’a tˆa. p ho..p comp˘a´c K ⊂C c´o ´ıt nhˆa´t mˆo. t diˆe’m tu. .
Ch´u.ng minh. Gia’ thiˆe´t r˘a`ng khˆong mˆo.t diˆe’m n`ao cu’a K l`a diˆe’m gi´o.i ha.n