1. 简单百科
  2. 康托尔集

康托尔集

在数学中,康托尔集,由德国数学家格奥尔格·康托尔在1883年引入(但由亨利·约翰·斯蒂芬·史密斯在1875年发现),是位于一条线段上的一些点的集合,具有许多显著和深刻的性质。

引入

通过考虑这个集合,康托尔和其他数学家奠定了现代点集拓扑学的基础。虽然康托尔自己用一种一般、抽象的方法定义了这个集合,但是最常见的构造是康托尔三分点集,由去掉一条线段的中间三分之一得出。康托尔自己只附带介绍了三分点集的构造,作为一个更加一般的想法——一个无处稠密的完备集的例子。实际上斯梅尔的马蹄映射也会形成康托尔集。

康托尔集的构造

康托尔集的构造是一个递归过程。首先从区间[0,1]中去掉中间的三分之一(1/3, 2/3),留下两条线段:[0, 1/3] ∪ [2/3, 1]。然后,把这两条线段的中间三分之一都去掉,留下四条线段:[0, 1/9] ∪ [2/9, 1/3] ∪ [2/3, 7/9] ∪ [8/9, 1]。康托尔集就是由所有过程中没有被去掉的区间[0,1]中的点组成。这个过程可以由递归的方法描述,首先令:

C₀ := [0,1]

则第n步递归得到的结果:

Cₙ := (1/3)Cₙ₋₁ ∪ (2/3 + (1/3)Cₙ₋₁) = (1/3)(Cₙ₋₁ ∪ (2 + Cₙ₋₁)), 对于n ≥ 1

所以:

C := limₙ→∞ Cₙ = ⋂ₙ=₀∞ Cₙ = ⋂ₙ=ₘ∞ Cₙ, 对于m ≥ 0。

下面的图显示了这个过程的最初六个步骤。有些学术论文详细描述了康托尔集的明确公式。

康托三分集

取一条长度为1的直线段,将它三等分,去掉中间一段,留剩下两段,再将剩下的两段再分别三等分,各去掉中间一段,剩下更短的四段,……,将这样的操作一直继续下去,直至无穷,由于在不断分割舍弃过程中,所形成的线段数目越来越多,长度越来越小,在极限的情况下,得到一个离散的点集,称为康托尔点集,记为P。称为康托尔点集的极限图形长度趋于0,线段数目趋于无穷,实际上相当于一个点集。操作n次后

边长

边数

根据公式

所以格奥尔格·康托尔点集分数维是。

性质特点

康托三分集中有无穷多个点,所有的点处于非均匀分布状态。此点集具有自相似性,其局部与整体是相似的,所以是一个分形系统。康托三分集具有:

1. 自相似性;

2. 精细结构

3. 无穷操作或迭代过程;

4. 传统几何学陷入危机。用传统的几何学术语难以描述,它既不满足某些简单条件如点的轨迹,也不是任何简单方程的解集。其局部也同样难于描述。因为每一点附近都有大量被各种不同间隔分开的其它点存在。

5. 长度为零;

6. 简单与复杂的统一。

康托尔集P具有三条性质:

1. P是完备集。

2. P没有内点。

3. P的基数为c。

康托尔集是一个基数为c的疏朗完备集。

三进制理解

在长度为1的直线段中,将所有点按三进制编码。

即第一次去掉的点,为三进制编码小数中,第一位小数为1的所有点;同理,第N次操作,就是去掉三进制小数中,第N位为1的点。

最后得到的康托尔集,用三进制表示,就是小数位只有0,2的所有小数。

说明:0.1(3)是格奥尔格·康托尔集中的点,但不符合上述描述。在上述描述中,是以0.02(2的循环)表示的。

如果要消除这种循环表示方法,可以定义为:康托尔集,用三进制表示,就是小数位的有效数字最后一位可以为1,2;其他位数只有0,2的所有小数。

参考资料