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数学 / topological-space

拓扑空间

拓扑空间是配备满足特定公理的开子集族的集合,无须借助距离即可定义连续、收敛等空间性质。

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拓扑空间是一个点集,配备了称为“拓扑”的结构(见拓扑学),用以指定哪些子集是开集。这种结构使我们无须给点之间赋予数值距离,就能定义连续性和收敛性。拓扑空间是度量空间的推广:每个度量都确定一个拓扑,但有些拓扑无法由任何度量产生。借助这一区分,可以独立于长度、角度或其他定量测量来研究空间关系。(math.ucla.edu)

定义与公理

形式上,拓扑空间是一个二元组 (X,τ)(X,\tau),其中 XX 是集合,τ\tau 是由 XX 的子集组成的集合族。用集合论的术语来说,τ\tau 是幂集 P(X)\mathcal P(X) 的子集。它的成员称为开集,并且必须满足三条公理:

  1. ∅\varnothing 和 XX 都属于 τ\tau。
  2. τ\tau 中任意一族成员的并都属于 τ\tau。
  3. τ\tau 中任意有限族成员的交都属于 τ\tau。

集合 XX 是底集,τ\tau 则是其上的拓扑。同一个底集可以配备不同的拓扑,从而构成不同的拓扑空间。(pi.math.cornell.edu)

闭集是指在 XX 中的补集为开集的子集。因此,任意族闭集的交以及有限族闭集的并都是闭集。“开”与“闭”并不是互斥的分类:一个子集可以既开又闭,也可以既非开集又非闭集。特别地,XX 和 ∅\varnothing 总是既开又闭。(pi.math.cornell.edu)

例子与基

实数集上的通常拓扑由开区间的所有可能的并组成。更一般地,度量 dd 可以如下定义一个拓扑:若对每个 x∈Ux\in U,都存在某个 r>0r>0,使开球 Bd(x,r)B_d(x,r) 包含于 UU,则规定 UU 为开集。拓扑由某个度量诱导的空间称为可度量化空间。不同的度量可以诱导完全相同的拓扑。(math.ucla.edu)

每个集合上都有两种极端的例子。离散拓扑规定每个子集都是开集;平凡拓扑则只有 ∅\varnothing 和 XX 是开集。在至少包含两个点的集合上,这两种拓扑不同。另一个例子是在 X={0,1}X=\{0,1\} 上定义

τ={∅,{1},X},\tau=\{\varnothing,\{1\},X\},

它满足拓扑公理,却以不对称的方式对待这两个点。(pi.math.cornell.edu)

基(拓扑学)是一个开集族,使得每个开集都能表示为该族中成员的并。开区间构成实数轴通常拓扑的一组基,开球则构成度量拓扑的一组基。基提供了一种简洁描述拓扑的方式:不必逐一列出所有开子集。(math.ucla.edu)

邻域、闭包与收敛

点 xx 的邻域(拓扑学)是包含某个含有 xx 的开集的集合;邻域本身不一定是开集。子集 AA 的内部是包含于 AA 的最大开集。它的闭包记为 A‾\overline A,是包含 AA 的最小闭集。等价地,x∈A‾x\in\overline A 当且仅当 xx 的每个开邻域都与 AA 相交。稠密集是闭包等于整个空间的子集。(math.ucla.edu)

如果 xx 的每个邻域都包含序列 (xn)(x_n) 中从某一项起的所有项,就称该序列收敛于 xx。这推广了熟悉的极限概念,但在任意拓扑空间中,序列并不能刻画所有拓扑现象。在第一可数空间中,每个点都有可数的局部邻域基,因此可以用序列刻画闭包和连续性;而一般的空间可能需要更广义的收敛工具。(math.ucla.edu)

连续性与等价性

拓扑空间之间的函数 f:X→Yf:X\to Y 是连续函数,如果

对每个开集 V⊆Y,f−1(V) 都是 X 中的开集。\text{对每个开集 }V\subseteq Y, \quad f^{-1}(V)\text{ 都是 }X\text{ 中的开集。}

对于度量空间,这与通常的 epsilon–delta(ε\varepsilon–δ\delta)定义一致。这个定义使用的是原像:连续函数不一定把开集映为开集。(math.ucla.edu)

同胚是一个连续的双射函数,并且其逆函数也连续。同胚的空间在拓扑意义上是等价的,即使它们的几何度量有所不同。仅仅是连续双射还不足以成为同胚;不过,从紧空间到豪斯多夫空间的连续双射必定是同胚。(math.ucla.edu)

构造新空间

有几种构造可以为相关的集合赋予自然的拓扑:

  • 子空间拓扑: 对于 A⊆XA\subseteq X,AA 中的开子集是形如 A∩UA\cap U 的交集,其中 UU 是 XX 中的开集。因此,开集这一性质是相对于所在空间而言的。
  • 积拓扑: 为笛卡尔积 ∏iXi\prod_i X_i 赋予使所有坐标投影都连续的最粗拓扑。基本开集只对有限多个坐标施加限制。
  • 商空间(拓扑学): XX 上的一个等价关系产生集合 X/∼X/{\sim}。商拓扑规定,这个商集的子集 VV 是开集,当且仅当它在典范投影下的原像是 XX 中的开集。

这些构造分别描述了取子集、组合空间以及将点等同的过程。(math.mit.edu)

分离性、紧致性与连通性

豪斯多夫空间是指任意两个不同的点都有互不相交的开邻域的空间。每个度量空间都是豪斯多夫空间。在豪斯多夫空间中,收敛序列的极限唯一,紧子集都是闭集。这些结论在任意拓扑空间中不一定成立。(math.mit.edu)

紧空间是指每个开覆盖都有有限子覆盖的空间。紧致性并不是用有界性定义的:紧致与闭且有界的等价关系适用于有限维欧几里得空间的子集,而不适用于所有拓扑空间。(math.ucla.edu)

连通空间不能表示为两个互不相交的非空开子集的并。道路连通性要求任意两点都能由一条连续道路连接,是比连通性更强的性质。连续映射的像保留紧致性和连通性,因此这些性质可用于区分不可能同胚的空间。(math.ucla.edu)