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关于鲁丁《数学分析原理》定理9.28中集合W开性的疑问

关于鲁丁《数学分析原理》定理9.28中集合W开性的疑问

先把定理的核心内容明确一下:

9.28 定理:设$f$是从$\mathbb{R}{n+m}$中的开集$E$到$\mathbb{R}n$的$\mathscr{C}'$映射,且对某点$(a,b)\in E$有$f(a,b)=0$。令$A=f'(a,b)$,假设$A_x$可逆。则存在开集$U\subset\mathbb{R}{n+m}$和$W\subset\mathbb{R}m$,满足$(a,b)\in U$,$b\in W$,且具有如下性质:
$$(x,y)\in U\ \text{且}\ f(x,y)=0$$
(补充标准隐函数定理结论:对每个$y\in W$,存在唯一的$x\in\mathbb{R}^n$使得$(x,y)\in U$且$f(x,y)=0$,记该$x$为$g(y)$,则$g:W\to\mathbb{R}^n$是$\mathscr{C}'$映射)

很多同学会疑惑这里的$W$为什么是开集,我结合定理的证明逻辑给你拆解一下:

  • 第一步,构造辅助函数$F:E\to\mathbb{R}^{n+m}$,定义为$F(x,y)=(f(x,y),y)$。计算它在$(a,b)$处的导数$F'(a,b)$,这是一个$(n+m)\times(n+m)$的分块矩阵:左上角是可逆的$A_x$,右上角是$A_y$,左下角是零矩阵,右下角是$m$阶单位矩阵。因为$A_x$可逆,整个矩阵的行列式不为零,所以$F'(a,b)$是可逆线性映射。
  • 第二步,调用鲁丁书中的逆函数定理(定理9.21):$F$在$(a,b)$的某个邻域$U_1\subset E$上是到$\mathbb{R}^{n+m}$中某个开集$V$的同胚——简单说就是$F$把$U_1$这个开集一对一映射成开集$V$,而且逆映射也是光滑的。
  • 第三步,看$W$的定义:它其实是${y\in\mathbb{R}^m\mid (0,y)\in V}$。因为$F(x,y)=(f(x,y),y)$,所以$f(x,y)=0$等价于$F(x,y)=(0,y)$。既然$V$是开集,那么所有满足$(0,y)\in V$的$y$构成的集合自然也是开集——你可以直观理解:对每个$y_0\in W$,存在一个以$(0,y_0)$为中心的开球完全包含在$V$里,那么对应的$y$的邻域${y\in\mathbb{R}^m\mid |y-y_0|<\epsilon}$就全部落在$W$中,这就满足了开集的定义。
  • 从直观意义上看,$W$是能找到对应$x$使得$f(x,y)=0$的$y$的取值范围,由于$f$是光滑映射,这种“可解性”在局部是连续延续的,开集正好对应这种局部的“可解区域”。

本质上,$W$的开性是逆函数定理的直接推论,通过构造辅助函数把原问题转化为开集的映射性质,就自然得到了$W$的开性。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Mathematics enjoyer

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