極限點
極限點(英語:Limit point)在數學中是指可以被集合S中的點[註 1]隨意逼近的點。[註 2]
這個概念有益的推廣了極限的概念,並且是諸如閉集和拓撲閉包等概念的基礎。實際上,一個集合是閉合的若且唯若他包含所有它的極限點,而拓撲閉包運算可以被認為是通過增加它的極限點來擴充一個集合。[註 3]
定義
為拓撲空間 ( 其拓撲為 ) 的子集且 ,若所有 的開集也包含至少一個 內的非x的點,即
稱 為 的極限點(注意到 不一定屬於 )。由 內所有極限點所組成的集合稱為 的導集,標記為 。
在T1空間裏,上述定義和要求 的每個鄰域皆包含無限多個 的點是等價的。[註 4]
另外,若X為序列空間,則可稱x ∈ X為S的極限點,若且唯若存在一個由S \ {x}的點組成的ω序列,其極限為x;這也是「極限點」此一名稱的由來。
特殊類型的極限點
如果包含x的所有開集都包含無限多個S的點,則x是特殊類型極限點,稱為S的ω‐會聚點(ω‐accumulation point)。
如果包含 的所有開集都包含不可數多個 的點,則 是特殊類型的極限點,稱為 的縮合點(condensation point)。
ω‐會聚點
在度量空間中,ω‐會聚點與普通的極限點定義等價。在拓撲空間中,兩者概念不再等價。對於非強拓撲空間,一個所有ω‐會聚點都屬於本身的集合不一定是閉集,但一個所有極限點都屬於本身(導集包含於自身)的集合必爲閉集。
度量空間的聚集點
在帶有度量函數 的度量空間 且有 和 ,若對所有 ,存在 值使得 ,也就是
這樣稱 是 的聚集點(cluster point)或會聚點(accumulation point)。直觀上意為, 可以被 裏的點(以度量 的意義上)無限制地逼近。
性質
- 關於極限點的性質: 是 的極限點,若且唯若它屬於 \ { }的閉包。
- 證明:根據閉包定義,某點屬於某集合的閉包,若且唯若該點的所有鄰域都和該集合相交。則有:x是 的極限點,若且唯若所有 的鄰域都包含一個非 的點屬於S,若且唯若所有 的鄰域含有一個點屬於 \ {x},若且唯若 屬於 的閉包。
- 的閉包具有下列性質: 的閉包等於 和其導集的併集。
- 證明:(從左到右)設 屬於 的閉包。若 屬於S,命題成立。若 ,則所有 的鄰域都含有一個非 的點屬於 ;也就是說,x是 的極限點, 。(從右到左)設 屬於S,則明顯地所有 的鄰域和 相交,所以 屬於 的閉包。若 屬於L(S),則所有 的鄰域都含有一個非 的點屬於S,所以 也屬於 的閉包。得證。
- 上述結論的推論給出了閉集的性質:集合 是閉集,若且唯若它含有所有它的極限點。
- 證明1:S是閉集,若且唯若 等於其閉包,若且唯若 = ∪ L(S),若且唯若L(S)包含於S。
- 證明2:設 是閉集, 是 的極限點。則 必須屬於S,否則 的補集為 的開鄰域,和 不相交。相反,設 包含所有它的極限點,需要證明 的補集是開集。設 屬於 的補集。根據假設,x不是極限點,則存在 的開鄰域U和 不相交,則U在 的補集中,則 的補集是開集。
- 孤點不是任何集合的極限點。
- 證明:若 是孤點,則{x}是只含有 的 的鄰域。
- 空間 是離散空間,若且唯若 的子集都沒有極限點。
- 證明:若 是離散空間,則所有點都是孤點,不能是任何集合的極限點。相反,若 不是離散空間,則單元素集合{x}不是開集。那麼,所有{x}的鄰域都含有點y ≠ x,則 是 的極限點。