形式陈述
设 是 Polish 空间 的解析子集公理库解析集与余解析集Analytic set · Coanalytic set以闭集投影定义解析集,通过树的无限分支展示存在性见证及超出 Borel 的边界。。若 不可数公理库不可数集Uncountable set无法单射进自然数集的集合;任何自然数编号的名单都会遗漏成员。,则存在连续公理库拓扑连续性Topological continuity · Continuous map目标开集的逆像始终开放,从而在不使用距离时表达映射不破坏局部邻近。的单射公理库单射Injective function · One-to-one function不同输入必有不同输出的函数。
由于 Cantor 空间紧公理库紧空间Compact space每个开覆盖都能缩减为有限子覆盖的拓扑空间。、 为 Hausdorff 空间公理库Hausdorff 空间Hausdorff space · T2 space任意两个不同点都能放入互不相交开邻域的 T2 分离空间。,像集与 Cantor 空间同胚,且在 中闭、非空、没有孤立点。这样的闭集称为完美集。Polish 空间的可数基能分开不同点,将点编码为包含它的基元素下标集,便知其基数至多为 。结合这里嵌入的 Cantor 空间,解析集的基数因此只能是至多可数,或恰好 。[1, Theorem 4.17]
结论是 含有完美子集,而非 自身完美;也不保证 有内部、有正测度或包含一个区间。
直觉
要在 中装入一棵完整的二叉选择树,每次必须找到两个彼此分开的、仍不可数的部分。沿每条二进路径把区域缩到一个点,不同路径会因某次分裂而得到不同点。
若 不是闭集,仅让区域直径趋零还不够:极限可能离开 。解析性的用途是给每个候选点携带一个闭关系中的见证,并让见证前缀也一起稳定。最后由闭性把极限留在关系中,再投影回 。
例子与边界
构造中真正需要保存的东西
先为 选取一个相容的完备度量公理库完备度量空间Complete metric space每个 Cauchy 序列都在空间内部收敛的度量空间。,以下直径和 Cauchy 条件均使用它。写 ,其中 闭。对每个二进有限串 ,维护小区域 和见证前缀 ,使
不可数。初始时,用可数个直径小于 的开球覆盖 ,选一个与 的交仍不可数的球作为根区域,根见证前缀为空。以后要求子区域闭包落在父区域中、两个兄弟闭包不交、直径小于 ,见证前缀长度随层数增长。
为什么能分成两边?在第二可数空间公理库第二可数空间Second-countable space存在可数拓扑基的拓扑空间。中,不可数集合除去至多可数个点后,剩下的每点的任意邻域都与该集合有不可数交。否则可用可数基覆盖所有只拥有可数交邻域的点,使它们总共仍可数。于是能选两个不同的这种点及分离的小邻域。
每个小邻域内再按见证的下一段前缀作可数分割;至少一块的投影仍不可数,否则全部投影可数。选择它作为下一层。沿路径 ,从每层的 中取一对 。嵌套且直径趋零的区域使 成为 Cauchy 列;相容且不断延长的前缀使 收敛到它们拼成的 。完备性给出 ,闭集 随后包含极限 ,所以 。
兄弟闭包分离保证 时所得点不同;共同前缀越长,两像点距离越小,保证连续。这样同时完成了存在性、单射性和连续性。
完美不代表有厚度
三分 Cantor 集闭且无孤立点,本身就是结论的一份模型,却无内部,Lebesgue 测度为零。其每层保留 个长度 的区间,总长度 。
再取 Cantor 集 与一个在 外的孤立点 。集合 不可数且闭,却不是完美集,因为 孤立。定理给出的子集可以取 ,不能把“有完美子集”缩写成“完美”。
解析性不能悄悄删掉
在通常选择公理下,存在不可数实数集不含任何非空完美子集,例如 Bernstein 集。这些集合不是解析集。余解析集也不能在 ZFC 中一概套用同样结论;其完美集性质涉及额外集合论假设。[1, Theorem 4.18]
推论与应用
任意 Borel 集都解析,所以不可数 Borel 集的基数是 。这个局部二分不证明连续统假设:它只约束具有指定描述形式的集合,没有覆盖全部实数子集。
定理也是 不可数标准 Borel 空间分类公理库标准 Borel 空间Standard Borel space保留 Polish 拓扑生成的可测结构;通过有理数、拓扑遗忘与完备化反例辨别标准 Borel 条件。的重要输入:先在不可数 Borel 集中找到一份 Cantor 集,再结合可测编码和 Borel 版的双射构造。基数相等只是起点,还要另证编码及逆编码可测。
参考资料