Лема Віталі про покриття

Нехай ${\displaystyle B_{1},\ldots ,B_{n}}$ — скінченна множина куль, що містяться в d-вимірному евклідовому просторі R^d (або, в більш загальному випадку, в довільному метричному просторі). Тоді існує підмножина ${\displaystyle B_{j_{1}},B_{j_{2}},\dots ,B_{j_{m}}}$ з цих куль, в якій кулі попарно не перетинаються, і виконується

${\displaystyle B_{1}\cup B_{2}\cup \ldots \cup B_{n}\subseteq 3B_{j_{1}}\cup 3B_{j_{2}}\cup \ldots \cup 3B_{j_{m}},}$

де ${\displaystyle 3B_{j_{k}}}$ позначає кулю з тим же центром, що і у ${\displaystyle B_{j_{k}}}$, але з втричі більшим радіусом радіусом.

Припустимо, що множина куль є непорожньою, тобто n > 0. Нехай ${\displaystyle B_{j_{1}}}$ буде кулею із найбільшим радіусом. За індукцією, нехай обрано кулі ${\displaystyle B_{j_{1}},\dots ,B_{j_{k}}.}$ Якщо існують кулі із ${\displaystyle B_{1},\dots ,B_{n},}$ які не перетинаються із жодною із ${\displaystyle B_{j_{1}}\cup B_{j_{2}}\cup \cdots \cup B_{j_{k}}}$, то виберемо як ${\displaystyle B_{j_{k+1}}}$ таку кулю із найбільшим можливим радіусом. Якщо таких куль немає, то приймаємо m := k і завершуємо процес.

Позначимо ${\displaystyle X:=\bigcup _{k=1}^{m}3\,B_{j_{k}}}$ і доведемо, що ${\displaystyle B_{i}\subset X}$ для всіх ${\displaystyle i=1,2,\dots ,n}$. Це твердження є очевидним для ${\displaystyle i\in \{j_{1},\dots ,j_{m}\}}$. В іншому випадку існує деяке ${\displaystyle k\in \{1,\dots ,m\}}$ для якого B_i перетинає ${\displaystyle B_{j_{k}}}$ і радіус кулі ${\displaystyle B_{j_{k}}}$ є не меншим, ніж B_i. З нерівності трикутника тоді випливає, що ${\displaystyle B_{i}\subset 3\,B_{j_{k}}\subset X}$, що завершує доведення.

Нехай ${\displaystyle \{B_{j}\mid j\in J\}}$ — довільна (зліченна або незліченна) множина куль в R^d (або, більш загально, в сепарабельному метричному просторі), для якої

${\displaystyle \sup \,\{\mathrm {rad} (B_{j})\mid j\in J\}<\infty ,}$

де ${\displaystyle \mathrm {rad} (B_{j})}$ позначає радіус кулі B_j. Тоді для будь-якого ${\displaystyle k>3}$ існує зліченна підмножина

${\displaystyle \{B_{j}\mid j\in J'_{k}\},\quad J'_{k}\subset J,}$

куль, що попарно не перетинаються і

${\displaystyle \bigcup _{j\in J}B_{j}\subseteq \bigcup _{j\in J'_{k}}k\,B_{j}.}$

Нехай F позначає сім'ю всіх куль B_j, j ∈ J у твердженні леми про покриття. Нехай необхідна підсім'я G у F позначається також за допомогою ${\displaystyle \{B_{j},j\in J'\}.}$

Доведемо більш точне твердження леми. Нехай F є сім'єю невироджених куль у метричному просторі з обмеженим радіусом. Тоді існує підсім'я G така, що кожна куля B у F має непустий перетин із деякою кулею C у G для якої B ⊂ 5 C. Для сепарабельних метричних просторів (наприклад евклідових просторів) до того ж G є не більш, ніж зліченною.

Нехай R є супремумом радіусів куль із F. Розглянемо розбиття F на F_n, n ≥ 0, що складаються із куль B  радіуси яких належать проміжку (2⁻ⁿ⁻¹R, 2⁻ⁿR]. Можна розглянути послідовність сімей куль G_n, де G_n ⊂ F_n. Спершу позначимо H₀ = F₀ і G₀ деяку максимальну сім'ю куль із H₀, що попарно не перетинаються. Для сепарабельного метричного простору очевидно, що G₀ є не більш, ніж зліченною . Припускаючи, що G₀,...,G_n вже визначені, нехай

${\displaystyle \mathbf {H} _{n+1}=\{B\in \mathbf {F} _{n+1}:\ B\cap C=\emptyset ,\ \ \forall C\in \mathbf {G} _{0}\cup \mathbf {G} _{1}\cup \ldots \cup \mathbf {G} _{n}\},}$

і нехай G_n+1 є максимальною сім'єю куль із H_n+1, що попарно не перетинаються. Для сепарабельного метричного простору G_n+1 є не більш, ніж зліченною. Тоді підсім'я

${\displaystyle \mathbf {G}$ :=\bigcup _{n=0}^{\infty }\mathbf {G} _{n}}

із F задовольняє вказане точне твердження леми: G є сім'єю куль, що попарно не перетинаються і кожна куля B ∈ F перетинає кулю C ∈ G для якої B ⊂ 5 C. Справді, нехай B належить F_n. Тоді або B  не належить H_n, звідки n > 0 і B має непустий перетин із G₀,...,G_n−1 або B ∈ H_n і з максимальності G_n випливає, що B має непустий перетин із деякою кулею із G_n. У будь-якому випадку B має непустий перетин із кулею C, що належить об'єднанню G₀,...,G_n. Радіус кулі C є більшим 2⁻ⁿ⁻¹R, а радіус B не більшим 2⁻ⁿR, а тому B ⊂ 5 C випливає з нерівності трикутника. Для сепарабельного метричного простору G є зліченною множиною, як зліченне об'єднання зліченних множин.

• У доведенні нескінченної версії у означенні F_n замість 2⁻ⁿ можна використати c⁻ⁿ, c > 1. Тоді замість 5 можна використати константу 1 + 2c. Тобто у твердженні леми про покриття можна замість 5 взяти довільну константу більшу 3.
• У нескінченній версії лема перестає бути вірною, якщо радіуси не є обмеженими: наприклад, це невірно для нескінченної множини куль з цілими додатними радіусами і єдиним центром.
• У найзагальнішому випадку, для довільного метричного простору, вибір максимальної підмножини куль вимагає деякої форми леми Цорна.