سوال ۶۸ کنکور ارشد ریاضی ۱۴۰۲
فرض کنید و دو زیرمجموعه چگال در فضای متریک باشند. کدام گزینه درست است؟
پاسخ صحیح: گزینهٔ C — اگر باز باشد آنگاه در چگال است.
واقعیت حاکم (گام «لم بئر»). در هر فضای توپولوژیک — و بهطور خاص در یک فضای متریک — اشتراک یک مجموعهٔ باز و چگال با یک مجموعهٔ چگال باز هم چگال است. معیار کاربردی را به یاد آورید:
که همارز است با ، و همارز با اینکه هر گوی مجموعهٔ را قطع کند.
گزینهٔ ۳ درست است. فرض کنید باز و چگال، چگال، و یک مجموعهٔ باز ناتهی دلخواه باشد.
- چون چگال است، .
- چون و هر دو بازند، یک مجموعهٔ باز ناتهی است.
- چون چگال است، ، یعنی .
چون یک مجموعهٔ باز ناتهی دلخواه بود، ؛ یعنی مجموعهٔ در چگال است.
(بهطور ملموس: برای و دادهشده، چگالی نقطهای به دست میدهد؛ باز بودن و باز بودن گوی، وجود با را نتیجه میدهد؛ و چگالی نقطهای از در میدهد، پس نقطهای از در وجود دارد.)
چرا سه گزینهٔ دیگر نادرستاند — یک مثال نقض هر کدام را رد میکند.
| گزینه | مثال نقض در | نتیجه |
|---|---|---|
| ۱. | (چگال) | نادرست |
| ۲. بسته نیست | (چگال) ، که بسته است | نادرست |
| ۴. چگال بودن باز بودن | : مجموعهٔ چگال است، ولی باز نیست | نادرست |
همچنین توجه کنید که دو مجموعهٔ چگال میتوانند جدا از هم باشند ( و هر دو در چگال و متبایناند) — و دقیقاً به همین دلیل است که باز بودنِ یکی از آن دو، فرضِ گریزناپذیر در گزینهٔ ۳ است. نه باز است و نه متمم آن، پس هیچ تناقضی پیش نمیآید.
نکتهٔ کنکوری: «چگال چگال» هیچ چیزی نمیگوید؛ اما «چگالِ باز چگال» چگال است. این لم یکخطی، همان گام استقرایی در اثبات قضیهٔ رستهٔ بئر است (اشتراک شمارای مجموعههای باز و چگال در یک فضای متریک کامل، چگال است) — آن را در همین قالب به خاطر بسپارید.