定理敘述
若 是 中的非退化(半徑為正數)閉球族,當中的球的半徑有有限上界,即
而A為當中的球的中心組成的集合。那么F中存在子集 ,每個 是可數多個互不相交的球的集合,而且
其中 是一個僅依賴於n的常數。
證明
先假設A是有界集合。依次選取球 ,選擇 為 ,適合條件 。
若已選取 。令 。若 ,就停止;若否,選擇 為B,適合條件 。
球 B有以下性質:
(1)以B的選取方法可知,若j>i,則 。
(2)將全部球B的半徑縮至三分之一,從以上不等式,可證這些縮小的球 互不相交。
(3)若有可數無限多球B,因A有界,及縮小的球不交的性質,所以球B的半徑趨向0。
(4) 。若B數目有限,則結果明顯;若數目是無限多,假如有 ,那么F中有球B(a,r),而從上一性質知,對足夠大的j,有 ,與B的選取條件矛盾。
對k> 1,估算B和多少個之前選擇的球B相交。先將這樣的B按半徑r分成兩組: 為第一組, 為第二組。
對第一組的球 ,將其縮小成 後包含在 中。 之間互不相交,故總體積不超過 的體積。又因 ,因此 相對 的比例有一個下限,而這下限僅由維數n決定。所以第一組的球的數目有一個僅依賴於n的上限。
對第二組的球,任取其中兩個球 。考慮以 作頂點的三角形。因B,B都和B相交,又a不在 之內,故有不等式
繼而證出此三角形以a為頂點的角 ,不小於一常數。
將第二組各個的球的中心和a之間連成直線,則任意兩條直線之間在a的夾角不小於arccos(61/64)。a為中心的單位球面上,這些直線中任何兩條和球面的交點,其間的球面距離,等於直線間的夾角。直線間的夾角下限,就是交點間的球面距離下限。在單位球面上所能容納的這樣的點的數目,有一個只依賴維數n的上限,這也就是第二組球的數目上限。
B和之前的球相交的數目上限,是以上兩組的上限的和,於是這個上限只依賴於維數n。這個上限加1設為M。現在從 B開始依次把球放到子集G內。輪到B時,因為之前的球中最多有M-1個和B相交,因此在M個子集G中,必定有至少一個所包含的球都不和B相交,於是可以把B加進這個子集。這樣就得出了子集G,滿足條件
對一般的A,設
對每個正整數l,設
將以上結果用到 和 上,得到子集 ,滿足條件
對 ,設 ,並設 。那么 的球互不相交,且有
因此定理得證。
參見
•維塔利覆蓋引理