拓扑空间

前言

本篇笔记遵循从特殊到一般的叙述方式,从 $ \mathbb R $ 上的通常拓扑引出一般的拓扑空间的概念.

$ \mathbb R $ 上的通常拓扑

为了研究 $ \mathbb R $ 上的通常拓扑,我们先研究开区间和闭区间.

我们已经熟知,开区间是 U:={x:a<x<b}U:=\{x:a<x<b\} ,闭区间是 V:={x:a≤x≤b}V:=\{x:a\leq x \leq b\}.其中 $a,b \in \mathbb R $ ,也可以取到无穷.下面给出一个与分析中邻域概念雷同的,且在拓扑中常用的定义

定义1:若 x∈R,ϵ>0x\in \mathbb R ,\epsilon > 0,则以 xx 为圆心,ϵ\epsilon 为半径的开球为

B(x,ϵ):={y∈R:∣y−x∣<ϵ}(1)B(x,\epsilon):=\{y\in \mathbb R :|y-x|<\epsilon\} \tag1

开球与邻域是相同的.

接下来考察开区间的性质

论断1: UU 为一个开区间和以下论述等价: ∀x∈U,∃ϵ>0,B(x,ϵ)⊂U\forall x \in U,\exists\epsilon>0,B(x,\epsilon)\subset U.

证明:

充分性:不失一般性,假设开区间 U:=(a,b)U:=(a,b) 两端都是实数,对于任给的 xx 只需取 ϵ=min⁡(∣a−x∣,∣b−x∣)\epsilon=\min(|a-x|,|b-x|) 即可满足论述.

必要性:显然.

两端存在无穷的情况考虑无穷的极大性即可得证.

接下来,我们从开区间中抽象出开集的概念

定义2:若 $U\subset \mathbb R $,则称 UU 是 $ \mathbb R $ 上的开集,当 UU 满足 ∀x∈U,∃ϵ>0,B(x,ϵ)⊂U\forall x \in U,\exists\epsilon>0,B(x,\epsilon)\subset U 时.

注意,开区间是开集的真子集,例如不交开区间的并就不是开区间,但它是开集.

为了引出闭集的概念,我们先引入与分析中极限雷同的极限点概念

定义3:若 $A\subset \mathbb R $,称 $x\in \mathbb R $ 为 AA 的一个极限点,当存在数列 {an}⊂A\{a_n\} \subset A,lim⁡∞an=x\lim_{\infty}a_n=x.

引理1:若 $A\subset \mathbb R $,则 $x\in \mathbb R $ 为 AA 的一个极限点当且仅当 ∀ϵ>0,∃a∈A,∣a−x∣<ϵ\forall \epsilon>0,\exists a\in A,|a-x|<\epsilon.

这是分析中已经熟知的.

下面,我们引出闭区间的重要性质

论断2:闭区间包含所有的极限点.

证明:

我们假设存在 x∉Ux \notin U 是闭区间 U:=[a,b]U := [a,b] 的极限点。考虑对于右端点,存在数列 {an}⊂U\{a_n\} \subset U,lim⁡∞an=x\lim_{\infty}a_n=x,但是我们只要取 ϵ\epsilon 为一个比 xx 和 bb 的距离小的数,就必然有一个 ai∈[k,x]a_i \in [k,x],这里 k>bk>b,ϵ=x−k\epsilon=x-k.这就引出了矛盾.左端点的证明是类似的.

我们根据这条性质抽象出闭集的概念

定义4:若 $V \in \mathbb R $,我们称 VV 为闭集当 VV 包含它的所有极限点.

类似地,闭区间是闭集的真子集.

下面我们证明本节的最重要的成果

定理1:设 $U\in \mathbb R $ 为闭集,则 $ \mathbb R - U$ 为开集.反之亦然.

在证明前,我们必须明确一个概念:集合不一定有开、闭的性质,也就是说非开不一定是闭集,非闭不一定是开集.左开右闭区间就是显而易见的例子.

证明:

我们先设 UU 为开集,需证 V=R−UV= \mathbb R - U 为闭集.用反证法,假设 VV 不是闭集,那么 VV 不包含它的所有极限点,设该极限点为 x∈Ux\in U,考虑数列 {an}∈V\{a_n\}\in V的极限,根据开集的定义,存在一个以该点为圆心的开球完全被 UU 包含,因此该开球的半径外的数列各值不能以比半径更小的距离 ϵ\epsilon 逼近该极限点,也就是说必须存在一个或以上的 aia_i 在该开球中,这与假设矛盾.

另一方面,我们设 VV 为闭集,需证 U=R−VU= \mathbb R - V 为开集,用反证法,假设 UU 不是开集,则存在一个点 xx,它的任意小的开球 B(x,ϵ)B(x,\epsilon) 不完全被 UU 包含.我们设 y∈B(x,ϵ)∩Uy \in B(x,\epsilon) \cap U,那么我们构造一个数列 {an}⊂V\{a_n\}\subset V,只要取 ϵ\epsilon 为足够小的值,在这里不失一般性取为 1n\frac{1}{n},让每一项满足 an∈B(y,1/n)∩Va_n\in B(y,1/n) \cap V,这样 ana_n 就能以任意大小逼近 yy,那么 yy 就是 VV 的一个极限点,必然是 VV 的元素,这与假设矛盾.

这条定理说明开集和闭集是互补的,开集的补集是闭集.


现在我们来研究开集和闭集的性质.

定理2(开集的性质):

  1. 空集和 $ \mathbb R $ 是开集.
  2. 任意开集的并是开集.
  3. 有限开集的交是开集.

证明:

性质1是显然的.

对于性质2,我们设并集为 U0U_0,考虑任意元素 x∈U0x\in U_0,它至少属于一个开集 UU,即有对任意开球 B(x,ϵ)B(x,\epsilon),都有 B(x,ϵ)∈U⊂U0B(x,\epsilon)\in U \subset U_0.

对于性质3,设大小为 nn 的开集族 Ui{U_i} 的交集为 U0U_0,对任意 x∈U0x\in U_0,取 ϵ=min⁡i∈I(ϵi:B(x,ϵi)⊂Ui)\epsilon = \min_{i \in I}(\epsilon_i:B(x,\epsilon_i) \subset U_i),就有 ∀i∈[1,n],B(x,ϵ)⊂B(x,ϵi)⊂Ui\forall i \in [1,n],B(x,\epsilon)\subset B(x,\epsilon_i)\subset U_i,这就完成了证明.

注意性质3必须要是有限个开集的交.因为确界原理:无限个数的最小值无法确定.

例如:区间套

Ui=(1i,1i+1)U_i=(\frac1i,\frac{1}{i+1})

根据区间套原理,这个开集族交集是 {0}\{0\},显然不是开集.

根据对偶性,不难得出以下闭集的性质

定理3:

  1. 空集和 $ \mathbb R $ 是闭集.
  2. 有限闭集的并是闭集.
  3. 任意闭集的交是开集.

证明:

性质1是显然的.

对于性质2,考虑定理2的性质3,有限闭集的并就是它们补集的交的补集.

性质3同理.

为了熟悉拓扑的语言,我们引入闭包

定义5: AA 的闭包是一个包含 AA 的所有极限点(闭包点)的集合,记作 A‾=cl(A)\overline A = cl(A).

形式化地

定义5’:

A‾={x∈R:∀ϵ>0,∃a∈A,∣x−a∣<ϵ}={x∈R:∀ϵ>0,B(x,ϵ)∩A≠∅}(2)\overline A = \{x\in \mathbb R:\forall\epsilon>0,\exists a\in A,|x-a|<\epsilon\}=\{x\in \mathbb R:\forall\epsilon>0,B(x,\epsilon) \cap A \neq \emptyset\} \tag2

由此,很自然地我们想替换闭集的语言

引理2:VV 是 $ \mathbb R $ 的闭子集当且仅当 V=V‾V= \overline V.

不证.

接下来我们就可以刻画 R\mathbb R 上的通常拓扑形态

定义6:设 A⊂RA \subset \mathbb R,我们有

  1. AA 的内部

Int⁡(A)={x∈R:∃ϵ>0,B(x,ϵ)⊂A}={x∈R:∃ϵ>0,B(x,ϵ)∩R−A=∅}(3)\operatorname{Int}(A) = \{x \in \mathbb R :\exists \epsilon >0,B(x,\epsilon) \subset A \}=\{x \in \mathbb R :\exists \epsilon >0,B(x,\epsilon) \cap \mathbb R -A =\emptyset \} \tag3

  1. AA 的外部

Ext⁡(A)={x∈R:∃ϵ>0,B(x,ϵ)⊂R−A}={x∈R:∃ϵ>0,B(x,ϵ)∩A=∅}(4)\operatorname{Ext}(A)=\{x \in \mathbb R :\exists \epsilon >0,B(x,\epsilon) \subset \mathbb R -A \}=\{x \in \mathbb R :\exists \epsilon >0,B(x,\epsilon) \cap A =\emptyset \} \tag4

  1. AA 的边界

∂A=R−Int⁡(A)−Ext⁡(A)(5)\partial A = \mathbb R-\operatorname{Int}(A)-\operatorname{Ext}(A) \tag5

这样我们就能刻画一个拓扑的内、外、边界了.


现在我们来讨论这三个部分之间的关系.下面的证明基本上都是上面定义的集合意义上的轱辘话,需要熟悉集合的语言.

引理3:Int⁡(A)∩Ext⁡(A)=∅\operatorname{Int}(A) \cap \operatorname{Ext}(A)=\emptyset.

证明 :∀x∈Int⁡(A),y∈Ext⁡(A),∃ϵ1>0,ϵ2>0,B(x,ϵ1)⊂A,B(x,ϵ2)⊂AC\forall x\in \operatorname{Int}(A),y\in \operatorname{Ext}(A),\exists \epsilon_1>0,\epsilon_2>0,B(x,\epsilon_1) \subset A,B(x,\epsilon_2)\subset A^{C}.

引理4:Int⁡(A)=Ext⁡(AC)\operatorname{Int}(A)= \operatorname{Ext}(A^{C}).

证明:将定义中的 AA 替换为 ACA^C 即可.

由此我们可以引出下面的基本性质

引理5:

  1. Int⁡(A)⊂A\operatorname{Int}(A) \subset A.
  2. Ext⁡(A)∩A=∅\operatorname{Ext}(A) \cap A = \emptyset.
  3. Int⁡(A),Ext⁡(A)\operatorname{Int}(A),\operatorname{Ext}(A) 都是开的.
  4. A∪∂A=Int⁡(A)⊔∂AA \cup \partial A=\operatorname{Int}(A) \sqcup \partial A 是闭的.

证明:

  1. 考虑 (2)(2) 中的开球一定是 AA 的子集即可得证.

  2. 对于原式稍作调整即证 Ext⁡(A)⊂AC\operatorname{Ext}(A) \subset A^C.结合第一条以及引理4得证.

  3. 根据引理4,只需证内部是开的.我们任取 x∈Int⁡(A),ϵ>0x \in \operatorname{Int}(A), \epsilon >0,使得以 xx 为圆心,ϵ\epsilon 为半径的开球是 AA 的子集.那么我们再任取 y∈B(x,ϵ)y \in B(x,\epsilon),根据定义,它必须是 AA 的内部的元素.取 ϵ′=ϵ−∣x−y∣\epsilon' = \epsilon - |x-y|,容易得到

    ∀z∈B(y,ϵ′),∣x−z∣=∣x−y+(y−z)∣<∣x−y∣+∣y−z∣<ϵ′+∣x−y∣=ϵ\forall z \in B(y,\epsilon'),|x-z|=|x-y+(y-z)|<|x-y|+|y-z|<\epsilon'+|x-y|=\epsilon

    (利用三角不等式),也就是 B(y,ϵ′)⊂B(x,ϵ)⊂Int⁡(A)B(y,\epsilon') \subset B(x,\epsilon) \subset \operatorname{Int}(A).考虑 xx 可以取遍 AA 的内部,任意开集的并是开集,这就证明了 Int⁡(A)\operatorname{Int}(A) 是开集.

  4. 先证等号.根据第一条显然有左包含右,现证右包含左.只需证 A⊂Int⁡(A)⊔∂AA \subset \operatorname{Int}(A) \sqcup \partial A.即证 A∩Ext⁡(A)=∅A \cap \operatorname{Ext}(A) = \emptyset,根据第二条得证.再证闭集,考虑到第三条有 AA 的外部是开集,根据开集闭集的互补性质立即得证.

根据上面的性质,我们就有了以下非常重要的性质

定理4:

  1. AA 是开的当且仅当 A=Int⁡(A)A= \operatorname{Int}(A).
  2. A‾=A∪∂A\overline A=A\cup \partial A.
  3. AA 是闭的当且仅当 ∂A⊂A\partial A \subset A.

证明:

  1. 根据引理5第一条以及开集的定义得证.
  2. 注意到右端就是 Ext⁡(A)C\operatorname{Ext}(A)^C,即 $\forall x\in A\cup \partial A,\forall \epsilon >0,B(x,\epsilon) \cap A \neq\emptyset $,与 (2)(2) 一致.
  3. 利用第二条得证.

下面我们利用闭包和内部来衡量开集和闭集的大小

定理5:Int⁡(A)\operatorname{Int}(A) 是 AA 的子开集中最大的开集,A‾\overline A 是包含了 AA 的闭集中最大的闭集.

证明:首先证明第一点.我们设 U⊂Int⁡(A)U \subset \operatorname{Int}(A) 是开集,就显然有 Int⁡(U)⊂U⊂Int⁡(A)\operatorname{Int}(U) \subset U \subset\operatorname{Int}(A) .再证明第二点,设 A⊂VA \subset V,VV 是闭集,则 A‾⊂V‾⊂V\overline A \subset \overline V \subset V.

将来的拓扑空间中将会将这条定理作为公理.

我们还有两条对称的性质

论断3:设 A⊂RA\subset R,

  1. (Int⁡(A))C=(AC)‾(6)(\operatorname{Int}(A))^C=\overline {(A^C)} \tag6

  2. A‾C=Int⁡(AC)(6’)\overline A^C =\operatorname{Int}(A^C) \tag{6'}

证明:注意到这两条是互补的,只证 (6)(6) .注意到 ∂A=∂AC\partial A = \partial A^C,利用定理4的第2条及引理5的第4条即可得证.

$ \mathbb R $ 上的连续映射

本篇将会用拓扑的语言重新描述连续映射.首先回忆连续映射的定义

定义7:f:R→Rf: \mathbb R \to \mathbb R 被称为连续映射,当且仅当满足以下条件

∀x,y∈R,ϵ>0,∃δ>0,∣x−y∣<δ⇒∣f(x)−f(y)∣<ϵ(7)\forall x,y\in \mathbb R,\epsilon > 0,\exists \delta>0,|x-y|< \delta\Rightarrow |f(x)-f(y)| < \epsilon \tag{7}

亦即

∀x,y∈R,ϵ>0,∃δ>0,y∈B(x,δ)⇒f(y)∈B(f(x),ϵ)⇔f(B(x,δ))⊂B(f(x),ϵ)(7’)\forall x,y\in \mathbb R,\epsilon > 0,\exists \delta>0,y\in B(x,\delta) \Rightarrow f(y) \in B(f(x),\epsilon) \Leftrightarrow f( B(x,\delta)) \subset B(f(x),\epsilon)\tag{7'}

这是已经熟知的概念.我们考虑利用闭集与开集来重新描述这个定义.

如何描述?注意到开闭集的等价定义中包含极限点,而连续映射的等价定义也有极限点,我们可以猜测

定理6:f:R→Rf: \mathbb R \to \mathbb R 被称为连续映射,当且仅当对于 R\mathbb R 中任意开集 UU,都有 f−1(U)f^{-1}(U) 也是开集.(开集的原像是开集)

证明:

充分性:假设 ff 是一个连续映射,且 UU 是一个开集,则对于 x∈f−1(U)x \in f ^{-1}(U) 有 f(x)∈Uf(x) \in U,即存在 ϵ>0\epsilon> 0 使得 B(f(x),ϵ)⊂UB(f(x),\epsilon) \subset U,我们利用 (7′)(7') ,找到一个 ϵ>0\epsilon>0 ,使得f(B(x,δ))⊂B(f(x),ϵ)⊂Uf( B(x,\delta)) \subset B(f(x),\epsilon)\subset U 并对映射求逆即可.

必要性:设 ff 满足开集的原像是开集.设 ϵ>0\epsilon >0 ,f−1(B(f(x),ϵ))f^{-1}(B(f(x),\epsilon)) 是开集,并且注意到 xx 在 B(f(x),ϵ)B(f(x),\epsilon) 的原像中,这就满足了 (7′)(7') .

于是我们定义同胚映射

定义8:我们称 ff 是一个 R→R\mathbb R \to \mathbb R 的同胚映射,当且仅当

  • ff 是双射
  • ff 是连续映射
  • f−1f^{-1} 是连续映射

特殊地,在 R\mathbb R 上,后两条可以推出第一条,但在一般的拓扑空间不行.

度量空间

这是一个过渡篇,从欧式度量引出的拓扑到通常拓扑的过渡.

我们定义度量

定义9:设 XX 是一个非空集合,则映射 d:X×X→Rd:X \times X \to \mathbb R 被称为一个度量当且仅当它满足下列条件

  • 正定性:∀x,y∈X,d(x,y)≥0\forall x, y\in X, d(x,y) \geq 0 ,特别地,d(x,y)=0⇔x=yd(x,y)=0 \Leftrightarrow x=y.
  • 对称性:∀x,y∈X,d(x,y)=d(y,x)\forall x, y\in X, d(x,y)=d(y,x).
  • 三角不等式:∀x,y,z∈X,d(x,y)+d(y,z)≥d(x,z)\forall x, y, z\in X, d(x,y) + d(y,z) \geq d(x,z).

进一步地,我们称 (X,d)(X,d) 为一个度量空间

度量有很多具体的例子,如最常见的 R2\mathbb R^2 上的模长就是一个度量.

上述 R\mathbb R 上的通常拓扑是通过 d(x,y)=∣x−y∣d(x,y)=|x-y| 引出的拓扑.

根据 R\mathbb R 上的通常拓扑的内容,我们容易得出通常度量空间上的开集闭集的定义,这里不再赘述.需要另提一嘴的是连续映射,因为这里可以有不同度量空间之间的映射

定义10:设 (X,d),(Y,d′)(X,d),(Y,d') 是两个度量空间,则 f:X→Yf:X \to Y 是一个连续映射当且仅当

∀x∈X,ϵ>0,y∈X,∃δ>0,d(x,y)<δ⇒d′(f(x),f(y))<ϵ(8)\forall x \in X,\epsilon>0, y \in X,\exists \delta>0,d(x,y) <\delta \Rightarrow d'(f(x),f(y))<\epsilon \tag{8}

与 R\mathbb R 中完全相同地,可以证明开集的原像是开集是连续映射的充要条件.

最后,我们再给出如下定义

定义11:设 (X,d)(X,d) 是一个度量空间,x∈X,A,B⊂Xx\in X, A,B \subset X,则定义如下内容

  • AA 的直径:记作 diam⁡(A)\operatorname{diam}(A),定义为 sup⁡x∈A,y∈Ad(x,y)\sup _{x \in A, y\in A} d(x,y) .
  • xx 和 AA 的距离:d(x,A)=inf⁡y∈Ad(x,y)d(x,A)= \inf_{y\in A}d(x,y) .
  • AA 和 BB 的距离:d(A,B)=inf⁡x∈A,y∈Bd(x,y)d(A,B) = \inf_{x\in A,y \in B}d(x,y) .

我们有如下论断

论断4:d(x,A)≤d(x,y)+d(y,A)d(x,A) \leq d(x,y) + d(y,A) ,其中 A⊂X,x,y∈XA \subset X,x,y \in X .

不证.

拓扑空间

终于来到本章的主题了.

我们再次回顾 R\mathbb R 上的开集定义,其中有三个重要的名词:集合,开球,包含.

开球如何定义?必须存在度量才能定义,然而,一般的集合不一定存在度量,更严密地说,大部分的集合不存在度量.

我们自然想让所有的集合可以定义它的”开集“,使得”开集“不依赖(由度量空间所定义的)开球,而是只依赖集合的语言定义.

于是我们回顾定理2,它只用集合的语言描述了开集的性质,我们便希望用这个性质来定义开集,从而避开具体的度量空间.像这样将集合 UU 划分出开集和闭集的行为,便可以称作 UU 的拓扑.

定义12:令 XX 是一个非空集合,则我们称 $\tau \sub \mathbf P(X) $ 是 XX 上的一个拓扑,当它满足如下性质

  • ∅,X⊂τ\emptyset,X \sub \tau
  • τ\tau 中的任意集合的并还在 τ\tau 中
  • τ\tau 中的有限集合的交还在 τ\tau 中

并且,我们称 (X,τ)(X, \tau) 是一个拓扑空间,在不引起歧义的前提下,(X,τ)(X, \tau) 可以简称为 XX.

同时,若对于 V⊂XV\sub X 满足 ∃U⊂τ,V=X−U\exists U \sub \tau,V=X-U , 则称 VV 为闭集,闭集与开集的情况恰好相反.

那么 R\mathbb R 上的通常拓扑 τ\tau 就是

U⊂τ⇔∀x∈U,∃ϵ>0,B(x,ϵ)⊂UU\sub \tau \Leftrightarrow \forall x \in U,\exists\epsilon>0,B(x,\epsilon)\subset U

其中 BB 是由度量 d(x,y)=∣x−y∣d(x,y)=|x-y| 定义的开球.

给出两种最简单的拓扑

定义13:设 XX 非空

  • 称 τ={∅,X}\tau = \{\emptyset,X\} 为 XX 上的平凡拓扑
  • 称 τ=P(X)\tau = \mathbf P(X) 为 XX 上的离散拓扑.

不难验证上述 τ\tau 都是拓扑.

平凡拓扑不能由度量空间导出,而离散拓扑可以由离散度量 d(x,y)=[x≠y]d(x,y)=[x\neq y] 导出.证明留在附录给出.

和在 $\R $ 上的工作类似,我们去刻画一般的拓扑空间的形态.

定义13:设 A⊂XA \sub X

  • 称 AA 的内部 Int⁡(A)\operatorname{Int}(A) 为 AA 中最大的开集,亦即 AA 中所有开集的并
  • 称 AA 的闭包 A‾\overline{A} 为包含 AA 的最小的闭集,亦即包含 AA 的所有闭集的交.

引理6:

  • AA 是开集 ⇔\Leftrightarrow A=Int⁡(A)A=\operatorname{Int}(A) ⇔\Leftrightarrow A⊂Int⁡(A)A \subset \operatorname{Int}(A)
  • AA 是闭集 ⇔\Leftrightarrow A=A‾A=\overline{A} ⇔\Leftrightarrow A‾⊂A\overline{A} \subset A

证明:

只证第一条.第二条可以由开闭集的互补性得出.

必要性显然.充分性根据 AA 的内部的极大性(AA 中没有比 AA 更大的开集)可以立刻得出.

论断5:设 A⊂XA \subset X

  • (Int⁡(A))C=(AC)‾(9)(\operatorname{Int}(A))^C=\overline {(A^C)} \tag9

  • A‾C=Int⁡(AC)(9’)\overline A^C =\operatorname{Int}(A^C) \tag{9'}

证明:

只证第一条.第二条可以由开闭集的互补性得出.

再次利用内部的极大性和闭包的极小性,Int⁡(A)\operatorname{Int}(A) 是一个包含于 AA 的开集,因此 (Int⁡(A))C(\operatorname{Int}(A))^C 是一个包含了 ACA^C 的闭集,从而根据闭包的极小性可以得到左包含右.

同理,(AC)‾\overline {(A^C)} 是一个包含了 ACA^C 的最小的闭集,从而 (AC)‾C\overline {(A^C)}^C 是一个包含于 AA 的开集,根据内部的极大性可得右包含左,于是论断得证.

定义14:设 x∈Xx\in X , 则称 UU 是 xx 的邻域,当 x∈Ux\in U 且 UU 为开集时.

定义15:设 A⊂XA \subset X

  • 称 xx 是 AA 的内点,当 xx 存在一个包含于 AA 的邻域
  • 称 xx 是 AA 的极限点,当 xx 的所有邻域都与 AA 在除了 xx 的外的点有交
  • 称 xx 是 AA 的闭包点,当 xx 的所有邻域都与 AA 有交.

不难发现闭包点的定义比极限点更广.

引理7:设 A⊂XA \subset X,则 xx 是 AA 的闭包点,当且仅当 x∈Ax \in A 或 xx 是 AA 的极限点.

证明: