Lebesguezahl

Die Lebesguezahl ist eine (nicht eindeutige) Zahl, die man einer offenen Überdeckung eines kompakten metrischen Raums zuordnen kann. Sie hängt im allgemeinen sowohl vom betrachteten Raum als auch von der Überdeckung ab - es gibt also nicht die Lebesguezahl, sondern unendlich viele. Benannt wurde sie nach dem französischen Mathematiker Henri Léon Lebesgue.

Sie dient oft als Hilfsmittel, wenn Endlichkeitsbedingungen gegeben sind.

Satz von der Existenz

Der Satz von der Existenz einer Lebesguezahl ist ein Lemma aus dem Gebiet der Topologie.

Er besagt, dass für jeden kompakten metrischen Raum (X,d) gilt:

Zu jeder offenen Überdeckung $\mathcal U$ existiert eine Zahl δ > 0 sodass jede Teilmenge $A \subseteq X$ mit Durchmesser d(A) < δ in einer Überdeckungsmenge $U \in \mathcal U$ enthalten ist, also $A \subseteq U$. Diese Zahl δ heißt Lebesguezahl der Überdeckung $\mathcal U$ für X.

Jede kleinere Zahl ist somit natürlich auch eine Lebesguezahl zu dieser Überdeckung und diesem Raum.

Beweis

Sei X ein kompakter metrischer Raum und $\mathcal A$ eine offene Überdeckung von X. Wenn $X \in \mathcal A$, kann jede Zahl δ > 0 gewählt werden, da ja alle Teilmengen $A \subseteq X$ in einer Überdeckungsmenge enthalten sind.

Sei also nun $X \not\in \mathcal A$. Da X kompakt ist, lässt sich aus $\mathcal A$ eine endliche Teilüberdeckung wählen, sei also $\{A_1, \dots, A_n\} \subseteq \mathcal A$ eine (endliche) Überdeckung von X.

Für alle $i \in \{1, \dots, n\}$, setze $C_i := X \setminus A_i$ und definiere eine Funktion $f : X \rightarrow \mathbb R$ durch $f(x) := \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n d(x,C_i)$.

Für ein beliebiges, aber festes $x \in X$ wähle nun i so, dass $x \in A_i$. Wähle nun ein ε > 0 klein genug, sodass die ε-Umgebung von x in der gewählten Überdeckungsmenge liegt, also $U_\epsilon(x) \subseteq A_i$. Nun ist $d(x,C_i) \ge \epsilon$, also ist $f(x) \ge \frac{\epsilon}{n}$. Die Funktion f ist somit auf ganz X positiv.

Da f stetig und auf einem Kompaktum definiert ist, nimmt es ein Minimum δ>0 an. Dieses ist die gesuchte Lebesguezahl:

Sei $B \subseteq X, d(B) < \delta$ eine Teilmenge mit Durchmesser kleiner δ. Für jedes $x \in B$ liegt B nun in der δ-Umgebung von x. Wähle nun ein beliebiges, aber festes $x_0 \in B$.

Sei nun m so gewählt, dass d(x₀,C_i) für i=m maximal wird. Nun ist $\delta \le f(x_0) \le d(x_0,C_m)$ und die δ-Umgebung U_δ(x₀) von x₀ und damit B liegen ganz in $A_m = X \setminus C_m$ aus der Überdeckung $\mathcal A$. Damit ist jetzt also ein δ mit der Eigenschaft der Lebesguezahl gefunden.

Weblinks

• Skript zum Satz von Seifert van Kampen für eine Anwendung der Lebesguezahl (und einen weiteren Beweis; PDF-Datei; 505 kB)