Satz von Heine-Borel

Der Satz von Heine-Borel, auch Überdeckungssatz, nach den Mathematikern Eduard Heine (1821–1881) und Émile Borel (1871–1956) benannt, ist ein Satz der Topologie metrischer Räume.^{[A 1]}

Der Satz besagt, dass zwei unterschiedliche Definitionen der Kompaktheit in endlichdimensionalen reellen Vektorräumen gleichwertig sind.

Für eine Teilmenge ${\displaystyle {\mathcal {M}}}$ des ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ (der metrische Raum aller reellen n-Tupel mit der euklidischen Metrik) sind die folgenden beiden Aussagen äquivalent:

1. ${\displaystyle {\mathcal {M}}}$ ist beschränkt und abgeschlossen.
2. Jede offene Überdeckung von ${\displaystyle {\mathcal {M}}}$ enthält eine endliche Teilüberdeckung.

Dieser Satz lässt sich speziell auf Teilmengen der Menge der reellen Zahlen ${\displaystyle \mathbb {R} }$ anwenden.

Die Voraussetzung, dass der umgebende Raum der ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ ist, ist wesentlich. Im Allgemeinen ist (Überdeckungs-)Kompaktheit nicht äquivalent zu Abgeschlossenheit und Beschränktheit.

Ein einfaches Gegenbeispiel liefert die diskrete Metrik auf einer unendlichen Menge ${\displaystyle X}$. Sie ist definiert durch

${\displaystyle d(x,y):={\begin{cases}0&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ x=y\\1&\mathrm {f{\ddot {u}}r} \ x\neq y.\end{cases}}}$

In dieser Metrik ist jede Teilmenge von ${\displaystyle X}$ abgeschlossen und beschränkt, aber nur die endlichen Teilmengen sind kompakt.

Weitere Gegenbeispiele sind alle unendlichdimensionalen normierten Vektorräume.

Für allgemeine metrische Räume gilt allerdings, dass die kompakten Mengen diejenigen sind, welche vollständig und totalbeschränkt sind.^[1] Dies ist deshalb eine Verallgemeinerung, weil eine Teilmenge des ${\displaystyle \mathbb {R} ^{n}}$ genau dann vollständig ist, wenn sie abgeschlossen ist, und weil sie genau dann totalbeschränkt ist, wenn sie beschränkt ist.

• Lutz Führer: Allgemeine Topologie mit Anwendungen. Vieweg, Braunschweig 1977, ISBN 3-528-03059-3, S. 95 ff. 
• Horst Schubert: Topologie. Eine Einführung. 4. Auflage. B. G. Teubner Verlag, Stuttgart 1975, ISBN 3-519-12200-6, S. 59 ff. 
• Bertrand Hauchecorne: La théorème de Borel-Lebesgue. In: Quadrature. Band 97, 2015, S. 9–11 (zbMATH Open). 

• Heine Borel (Video, das einen Beweis des Satzes von Heine-Borel illustriert.)

1. ↑ Dieudonné, Jean: Grundzüge der modernen Analysis. Band 1. Zweite, berichtigte Auflage. Friedrich Vieweg und Sohn, Braunschweig 1975, ISBN 3-528-18290-3, S. 67–68 (Satz 3.16.1)

1. ↑ Gemäß der Monographie von Lutz Führer bezeichnet man den Satz auch als Überdeckungssatz von Heine-Borel-Groß. In der französischen Fachliteratur wird dieses Theorem auch als théorème de Borel-Lebesgue bezeichnet.