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집합의 집적점과 수열의 집적점

03 실수열의 극한

3.5 집합의 집적점과 수열의 집적점

3.5 집합의 집적점과 수열의 집적점

집합

   ∈ℕ의 원소를 수직선에 나타내면 점들이 원점 근처에 가까이 몰려 있는 것을 볼 수 있다.

이때

의 원소 중 일부는 빠진 열린구

′에 속한다. 즉 양수 이 아무리 작아도

의 원소 중 하나 이상 은

′에 속한다. 이렇게 집합

의 원소가 의 주변에 몰려있을 때 를

의 집적점이라고 부른다.

정의 3.5.1 집합의 집적점

가 실수 집합의 부분집합이고 가 실수라고 하자. 만약 임의의 양수 에 대하여

′∩

≠ ∅이면

를

집적점(cluster point)이라고 부른다.

의 집적점들의 모임을

도집합(derived set)이라고 부르며

′으로 나타낸다.

참고

3.5.2 정의 3.5.1에서 조건 ‘임의의 양수 에 대하여 

′∩

≠ ∅이면’을 ‘임의의 양수 에 대하

′∩

가 무한집합이면’으로 바꾸어도 동치인 정의가 된다. □

보기

3.5.3 다음은 집적점과 도집합의 예이다.

(ⅰ) 열린구간  의 도집합은  이다.

(ⅱ) 유리수의 조밀성에 의하여 ℚ의 도집합은 ℝ이다.

(ⅲ) 집합  ∩ℚ의 도집합은  이다.

(ⅳ) 유한집합은 집적점을 갖지 않는다. 즉 유한집합의 도집합은 공집합이다.

(ⅴ) ℤ는 집적점을 갖지 않는다. 즉 ℤ는 어느 곳에서도 조밀하지 않다.

이 예를 통해 가

의 집적점인 것과 가

의 원소인 것은 관계가 없음을 알 수 있다. 즉

의 원소가 아닌 것도

의 집적점이 될 수 있으며,

의 원소인 점이

의 집적점이 아닌 경우도 있다. □

실수 집합의 부분집합

가 무한집합이라고 하자. 만약

가 유계라면

의 원소들이 몰려 있는 점이 적어도 하나 이상 존재할 것이다. 원소들이 몰려 있는 점이 없고 유계인 집합은 유한집합이 될 것이기 때문이다. 다음 정리는 이와 같은 내용을 논리적으로 설명한다.

정리 3.5.4 볼차노-바이어슈트라스(Bolzano-Weierstrass) 유계인 무한집합은 집적점을 가진다.

증명

집합

가 유계이고 무한집합이라고 하자.

가 유계이므로 양수

이 존재하여

⊆ 

을 만 족시킨다. 그러면 두 집합 

 과 

 중 적어도 하나는

의 원소를 무한히 많이 가진다. 그 러한 것을 택하여

이라고 하자. 다시

  을 두 개의 구간으로 등분한   ,

   중 적어도 하나는

의 원소를 무한히 많이 가진다. 그러한 것을 택하여

라고 하자.

이제 닫힌구간

  이

의 원소를 무한히 많이 가진다고 가정하자. 그러면

을 두 개의 닫힌구간으 로 등분한

 

 

,



 

 

중 적어도 하나는

의 원소를 무한히 많이 가진다. 그러한 것을 택하여

        이라고 하자. 이 제 집합족

 ∈ℕ

과 두 수열

,

이 귀납적으로 정의되었다.

정의에 의하여

  

이고  inf

,  sup

이므로

은 단조증가수열이고

은 단조

감소수열이다. 또한 ≤ 이므로

은 단조수렴 정리에 의하여 수렴한다.

,

의 극한

을 각각 , 라고 하자. 그러면  ≤ 이다. 정의에 의하여

의 길이는     

이므로

   

lim

 → ∞

  

lim

 → ∞

  

  이다. 따라서   이다.

이제  ≔ 라고 하자. 그리고 가

의 집적점임을 보이자. 양수 이 임의로 주어졌다고 하자. 그러면

 

 인 자연수

이 존재한다. 이것은

  

인 것을 의미한다. 그런데

  에 속하는

의 원소의 개수가 무한이므로

에 속하는

의 원소의 개수도 무한이다. 따라서

의 무한히 많

은 원소가

′ 에도 속한다. 즉 는

의 집적점이다. ■

참고

3.5.5

위 정리에서 사용된

축소구간(nested interval)이라고 부른다. 정리의 증명 과정을 통해, 집합

 ∈ℕ

의 모든 원소가 닫힌구간이고

  

을 만족시키면

∈ ℕ

은 공집합이 아님을 알 수 있다.

특히  → ∞일 때

의 길이가 에 수렴하면

는 한점집합이 된다. 이러한 명제를 축소구간 정리라고 부른다.

집합의 집적점과 비슷하게 수열의 집적점을 정의할 수 있다. ≔ 로 정의된 수열

의 항은  주변에 몰려 있다. 이때 을 이 수열의 집적점이라고 부른다. 이번에는 ≔  으로 정의된 수열

을 생각하

자. 이 수열의 치역은   로서 유한집합이지만 무한히 많은 항이  과 에 몰려 있다고 말할 수 있다.

의 항이 에 무수히 많이 몰려 있으므로 에 수렴하는

의 부분수열이 존재한다. 실제로 부분수열



는 에 수렴하는 수열이다. 따라서 수열의 집적점을 다음과 같이 정의한다.

정의 3.5.6 수열의 집적점

이 실수열이고 가 실수라고 하자. 만약

의 부분수열 중에서 에 수렴하는 것이 존재하면 를

의 집적점이라고 부른다.

참고

3.5.7 다음은 수열의 집적점의 예이다.

(ⅰ) 수렴하는 수열은 단 하나의 집적점을 가진다.

(ⅱ)    일 때

은  과 을 집적점으로 가진다.

(ⅲ)    일 때

은 집적점을 갖지 않는다.

(ⅳ)      일 때

은 수렴하지 않지만 한 점 을 집적점으로 가진다.

(ⅴ)

이 ℕ으로부터 ℚ로의 일대일대응일 때

은 모든 실수를 집적점으로 가진다. □

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3.5 집합의 집적점과 수열의 집적점

수열의 집적점은 집합의 집적점과 밀접한 관련을 가지고 있다.

참고

3.5.8 가 집합 

의 집적점이면

의 점을 이용하여 에 수렴하는 수열을 만들 수 있다.

증명

자연수 에 대하여 

∩

인 점 을 택하면

은 에 수렴하고

의 점들로 이루어진

수열이 된다. ■

참고

3.5.9 수열 

의 치역

 ∈ℕ

이 집적점 를 가지면 는

의 집적점이다.

증명

먼저 

∩

인 항 

이 존재한다. 이제 자연수 에 대하여 

∩

라고 가정하자.

    ∩

는 무한집합이므로    이면서 

  

    ∩

인 항 

  이 존재한

다. 이로써 임의의 자연수 에 대하여 

가 귀납적으로 정의되었다. 이때

의 부분수열이

고 에 수렴한다. ■

수렴하는 수열의 극한을 위상적으로 정의한 것처럼 수열의 집적점도 위상적으로 정의할 수 있다.

참고

3.5.10 가 수열 

의 집적점일 필요충분조건은 임의의 양수 에 대하여 

인 항 의 개 수가 무한인 것이다.

증명

[⇒] 가 수열

의 집적점이라고 하자. 그러면 에 수렴하는 부분수열

가 존재한다. 수렴하는 수열의 극한의 성질에 의하여 임의의 양수 에 대하여 

인 

의 개수는 유한이다.

[⇐] 임의의 양수 에 대하여 

인 항 의 개수가 무한이라고 하자. 먼저 

인 첨 수 이 존재한다. 또한 자연수 에 대하여    이면서 

  

    인 첨수   

존재한다. 이로써 수열

가 귀납적으로 정의되었다. 이때

는 에 수렴한다. ■

유계인 무한집합이 집적점을 갖는 것처럼 유계인 수열은 집적점을 가진다.

정리 3.5.11 볼차노-바이어슈트라스 유계인 수열은 집적점을 가진다.

증명

수열

이 유계라고 하자. 그리고

의 치역을

 ∈ℕ

이라고 하자. 그러면

는 유한 집합이거나 무한집합이다.

만약

가 유한집합이면 무한히 많은 에 대하여   가 되는 점 ∈

가 존재한다. 그러한 항 을 모 아서 구성한 부분수열은 에 수렴하므로 는

의 집적점이다.

만약

가 무한집합이면

는 유계이므로 집적점 를 가진다. 그러면 참고 3.5.9에 의하여 는

집적점이다. ■

참고

3.5.12 위 정리의 역은 참이 아니다. 즉 집적점을 갖더라도 유계가 아닐 수 있다. 

≔    으로

정의된 수열

은 집적점 을 갖지만 위로 유계가 아니다. □