Hilbert 曲线与集合势理论
《数学分析 II》第十三周研讨课讲稿 EX
1 空间填充曲线
1.1 曲线
（我们所讨论的）曲线：定义域为 \([0,1]\) 的连续映射．
1.2 空间填充曲线
（我们所讨论的）空间填充曲线的定义：连续满射 \(f: [0,1] \to [0,1]^2\)．
2 Hilbert 曲线
2.1 \(n\) 阶伪 Hilbert 曲线 \(H_n(t)\)
理解一：将 \([0,1]^2\) 等分成 \(2^n \times 2^n\) 个小方块，按特定顺序将每个小方块的中心点用直线连接起来．这顺序是递归构造的．
理解二：构造 \(n\) 阶伪 Hilbert 曲线时，将所研究的方块区域四等分．左下角填入左上-右下翻转的 \(n-1\) 阶伪 Hilbert 曲线；左上、右上角填入未翻转的 \(n-1\) 阶伪 Hilbert 曲线；右下角填入左下-右上翻转的 \(n-1\) 阶伪 Hilbert 曲线．最后用三条直线连接各小方块内曲线的起止点．
Solution (递推). 由伪 Hilbert 曲线的递归定义得 \[ \operatorname{len}H_n = 2 \operatorname{len}H_{n-1} + \frac 3 {2^n} \] 边界为 \(\operatorname{len}H_0 = 0\)．求解该递推式即可．
Solution (直观). 注意到 \(n\) 阶伪 Hilbert 曲线将区间分为 \(2^n \times 2^n = 4^n\) 个小方块，除首尾方块，其余小方块内的曲线长度均为小方块边长 \(2^n\)．因此 \[ \operatorname{len}H_n = 4^{-n} \cdot 2^{-n} - 2 \cdot \frac {2^{-n}}{2} = 2^n - 2^{-n} \]
式中 “\(- 2^{-n}\)” 部分并不讨人喜爱．我们考虑水平或垂直地延长首尾方块曲线至任意边界，这样曲线长度 \(\operatorname{len}H_n = 2^n\) 就恒成立了．我们在后文的讨论中使用这一改进．
2.2 Hilbert 曲线 \(H(t)\)
真正的 Hilbert 曲线是由 \(n\) 阶伪 Hilbert 曲线取逐点极限得到的．
\[ H(t) = \lim_{n \to \infty} H_n(t) \]
Proof. 对一给定的 \(t \in [0,1]\)，设其落在区间 \(\left[ k 4^{-n_0}, (k+1) 4^{-n_0} \right]\)，则对任意 \(n \geq n_0\)，\(H_n(t)\) 均落在 \(H_{n_0}(t)\) 所确定的边长为 \(2^{-n}\) 的小闭方块内，即 \(\| H_{n}(t) - H_{n_0}(t) \|_\infty \leq 2^{-n}\)．由 Cauchy 收敛原理即得其一致收敛性．
Proof. 对一给定的 \((x,y) \in [0,1]^2\)，将所研究的闭方块区域四等分，任取一 \((x,y)\) 所在小闭方块作为下一个研究的闭方块．如此进行下去，构造出一列框住 \((x,y)\) 的收缩的闭方块套．闭方块套里的每一个半径为 \(2^{-n}\) 的闭方块都对应着 \([0,1]\) 上长 \(4^{-n}\) 的一个闭区间，这些区间同样构成了 \([0,1]\) 上的一个闭区间套．由闭区间套原理，这列闭区间套确定了一个实数 \(t \in [0,1]\)，它就是使得 \(f(t) = (x,y)\) 的一个解．
Remark. 需要注意的是，当 \((x,y)\) 落在某两个闭方块的公共边界上时，证明中我们任取其中一个闭方块继续讨论．因此，选择不同闭方块将可能使我们得到不同的 \(t\) 值，这是 Hilbert 曲线不是单射的原因之一．
Proof. 对一给定的 \(t \in [0,1]\)，考虑 \(H(t)\) 任意取定的 \(\varepsilon\) 邻域 \(U_{\varepsilon}(H(t)) = \{ (x,y) : \| H(t) - (x,y) \|_{\infty} < \varepsilon \}\)，取 \(n_0 = \log_2 \varepsilon - 2\)，即可使第 \(n_0\) 阶伪 Hillbert 曲线划分出的各闭方块边长为\(2^{-n_0} < \frac \varepsilon 2\)．设此时 \(t\) 落在闭区间 \(I = \left[ k 4^{-n_0}, (k+1) 4^{-n_0} \right]\)（如在边界，则任取），其对应闭方块 \(J = H(I)\)．由于 \(I\) 已经是 \(t\) 的一个（单侧）邻域，为证明 \(H(t)\) 在点 \(t\) 的连续性，下面只需证 \(J \subset U_\varepsilon(H(t))\)．由于我们构造的 \(n_0\) 使闭方块 \(J\) 的边长为 \(2^{-n_0} < \frac \varepsilon 2\)，\(H(t)\) 与这闭方块中任意点 \((x,y)\) 的距离 \[ \| H(t) - (x,y) \|_{\infty} \leq \frac \varepsilon 2 < \varepsilon \] 故 \(J \subset U_\varepsilon(H(t))\)．
对一般的曲线而言，逐点收敛于曲线 \(f\) 的曲线族 \(f_n\) 的长度的极限 \(\lim_{n \to \infty} \operatorname{len}f_n\) 与 \(f\) 的长度 \(\operatorname{len}f\) 并不一定相同．这一事实有一简单有力的实例验证：用锯齿状曲线逼近圆．
因此，直接取 Exercise 1 的极限并不可行．根据曲线长度的定义，只有构造出一族直接由 \(H(t)\) 上点构成的近似曲线，我们才能从这族曲线长度的极限中得到 Hilbert 曲线的正确长度．
Proof. 考虑划分 \(P_{n} : t_k = k 4^{-{n}} \pod{k = 0, 1, \dots, 4^{n}}\)，将 \(H(t_k)\) 依次用折线连接，就得到了《Space-filling curves》2.6 节[1]讨论的 Hilbert 曲线的 \(n\) 阶近似多边形曲线 \(P_n(t)\)（Approximating polygon for the Hilbert curve）．我们指出，与 \(n\) 阶伪 Hilbert 曲线相同，\(n\) 阶 Hilbert 近似多边形曲线仍然可以类似的由递归方法得到，遍历 \(2^n \times 2^n\) 个小方块，且平均每个小方块内的曲线长度为 \(2^{-n}\)．因此，\(n\) 阶 Hilbert 近似多边形曲线的长度 \(\operatorname{len}P_n(t) = (2^n \times 2^n) \cdot 2^{-n} = 2^n\)．由于该数列没有上界，故我们说明了 Hilbert 曲线的不可求长性．
2.3 全平面填充
环绕填充并连接相邻曲线即可．
2.4 四进制小数表示
\(n\) 阶伪 Hilbert 曲线对 \([0,1]\) 区间的划分操作可被一一对应地记为 \(n\) 位四进制小数，从而为 \([0,1]\) 上被划分出的区间和对应的 \([0,1]^2\) 上的方块赋予了一种简洁的表示方法．但由于递归构造时左下、右下角涉及翻转操作，为每个实数 \(t\)（无限位规范四进制小数）写出其平面对应点 \(H(t)\) 的非递归封闭形式表达稍显复杂．《Space-filling curves》[1]的 2.3 节给出了基于复数和四进制小数的精确表示．
2.5 小结
- Hilbert 曲线确实遍历了 \([0,1]^2\) 区域的所有点.
- Hilbert 曲线是满射, 但不是单射，所以不是从线段到正方形区域的双射．
- \([0,1]^2 \to [0,1]\) 的单射（甚至双射）？集合势理论．
- （补充）空间填充曲线必自交，即不能是单射．（Pf：否则与 \([0,1]^2\) 同胚，这显然荒谬．）（证明同胚逆映射连续需用拓扑定理：any continuous bijection from a compact space onto a Hausdorff space is a homeomorphism）
- （补充）不自交但有面积的曲线：Osgood 曲线．但它不是空间填充曲线．
3 集合势理论
3.1 集合的势
等势，劣势于，优势于．
“劣势于”是集合上的序关系：自反性、反对称性（Bernstein 定理）、传递性．
事实上更是全序关系，证明需用到选择公理．
3.2 有限集、可列集与无限集
有限集，可列集，无限集．
无限集的充要条件：与某一真子集等势（Dedekind 定义）．
充分性：归纳取出可列集，该部分映射到后继形成双射．
必要性：即有限集不与任何其真子集等势．冗长，证明略．
无限集并有限或可列集仍与原无限集等势．
\[ \mathbb N^2 \approx \mathbb N \]
本质：可列个可列集的并还是可列集；可列集的有限次笛卡尔积仍是可列集．
3.3 从可列到不可列
\[ \mathbb R \not \approx \mathbb N \]
写成小数，对角线法．
规范小数（规定其均为无限小数），规范二进制小数．
\[ 2^{\mathbb N} \approx \mathbb R \]
核心在于不规范小数是可列集．
\[ {\mathbb R}^2 \approx \mathbb R \]
小数穿插构造法．需要注意的是，构造的 \((0,1)^2 \to (0,1)\) 的单射不是满射 \[ c = 0.303030\dots \implies a = 0.333\dots, b= 0.000\dots \] 此外，它也不是连续映射 \[ \begin{aligned} a=0.3333\dots, b=0.4999\dots &\implies c=0.343939\dots \\ a=0.3333\dots, b=0.5000\dots &\implies c=0.353030\dots \end{aligned} \] 其对应的 \([0,1] \to [0,1]^2\) 的非单的满射（如构造出的小数不规范，则将其规范化）亦不连续． \[ \begin{aligned} c = 0.4999\dots &\implies a = 0.4999\dots, b=0.9999 \dots \\ c = 0.5000\dots &\implies a = 0.5000\dots, b=0.0000\dots \end{aligned} \]
Fun fact: \({\mathbb R}^2 \approx \left(2^{\mathbb N}\right)^{2} \approx 2^{\left({\mathbb N \times 2} \right)} \approx 2^{\mathbb N} \approx \mathbb R\)（基数理论）
3.4 小结
- Hilbert 曲线：\(\mathbb R \to {\mathbb R}^2\) 的连续满射．
- 集合势理论：\({\mathbb R}^2 \to {\mathbb R}\) 的不连续单（双）射．
Acknowledgements
感谢吕老师组织研讨课．本次研讨课与宁同学一同准备并主要由后者主讲，在讨论和展示过程中收获颇丰．
Comments
希尔伯特曲线及性质的形式化理解 - zzdyyy[2]
本文脉络的主要参考．
Why does the Hilbert curve fill the whole square? - Math StackExchange[3]
提供了收敛性的较严谨证明．
希尔伯特曲线：无限数学怎样应用于有限世界 - 3Blue1Brown[4]
优秀的可视化．
Space-filling curve - Wikipedia[5]
《集合论基础教程》张峰、陶然[6]
扩展阅读：
《Space-filling curves》Hans Sagan[1]
回顾了空间填充曲线发展历史；用形式化的语言刻画了 Hilbert 曲线，见文内引用．