邓嘉驹
资料/附录

拓扑基础

第 A 章 · 6 节

A.1拓扑的定义

定义 A.1 (拓扑)

设为非空集合,若的子集族满足

  1. 且;

  2. 若,则;

  3. 若是的子集族,则;

则称是上的一个拓扑(topology),其中每个元素称为开集(open set)。 给定上的一个拓扑结构,我们称为一个拓扑空间(topology space)。

定义 A.2 (邻域)

设为拓扑空间,,是的一个子集。 若存在开集使得,则称集合为的一个邻域(neighborhood),相应的邻域系(family of neighborhoods)为

(A.1.1)
定义 A.3 (闭集)

设为拓扑空间的一个子集,若的补集为开集,则称为闭集(close set)。

例 A.1
  1. 度量拓扑: 设是任意度量空间,,则是上的一个拓扑,称为度量拓扑(metric topology);

  2. 离散拓扑:设是任意集合,,则称其为上的一个拓扑; 并且不难发现其为关于上离散度量1的度量拓扑;

  3. 平凡拓扑:设是任意集合,,则其为上的拓扑; 不过只要,那么该拓扑不是度量拓扑。

定义 A.4 (拓扑的强弱性)

设和是上的两个拓扑。 若,则称弱于,或称强于。

注

在任意集合上,是最弱拓扑,而是最强拓扑。 另外,由于集合包含通常不是全序关系,也存在不可比较的拓扑。

命题 A.1 (子空间拓扑)

设为拓扑空间,是一个子集,则集族是上的一个拓扑,称为子空间拓扑(subspace topology)。

证明

首先,因此且; 对于任意,存在使得,因此; 对于任意,其中每个元素对应一个使得,因此。 综上,构成上的一个拓扑。

命题 A.2 (乘积拓扑)

设和为拓扑空间,则

(A.1.2)

是上的一个拓扑,称为乘积拓扑(product topology)。

证明

显然; 对于任意以及任意,存在和,,使得且。 因此,即; 对于任意以及任意,存在使得,即存在和使得,因此。 故是一个拓扑。

A.2收敛性与连续性

定义 A.5 (收敛)

设是拓扑空间中的序列。 若存在,使得对于的任意邻域,存在正整数使得对所有成立,则称收敛到,记作。

例 A.2
  1. 度量拓扑下的收敛: 按度量收敛和按度量拓扑收敛在度量空间内是一致的;

  2. 离散拓扑下的收敛: 由于离散拓扑空间中的开球,容易看出当且仅当存在正整数,使得对所有成立。 直观地说,在离散拓扑空间内,只有“最终常值”的序列收敛;

  3. 平凡拓扑下的收敛: 由于平凡拓扑空间内唯一的非空开集为集合,因此中任意序列都是收敛的,并且任意元素均为极限(不唯一性)。

定义 A.6 (序列连续映射)

若对于拓扑空间之间的映射与中任意收敛序列,在中均有,则称在处序列连续(sequentially continuous at )。 若在中每个处都序列连续,则称为序列连续映射(sequentially continuous map)。

定义 A.7 (连续映射)

对于拓扑空间之间的映射,若中点的任意邻域的原像都是中点的邻域,则称在点处连续。 若在中每个处均连续,则称为连续映射。

命题 A.3 (复合映射的连续性)

设为拓扑空间。

  1. 若和分别在和处连续,则在处连续;

  2. 若和分别在和处序列连续,则在处序列连续。

证明

根据(1.1.3)式,取原像的操作保持并集开集,该性质容易验证。

命题 A.4

若在处连续,则其在处序列连续。 特别地,任意连续映射都是序列连续的。

证明

对于任意收敛到的序列,在中取的任意邻域,则是中点的邻域。 利用收敛性的定义,存在正整数使得,因此。

命题 A.5 (连续性的刻画)

设是一个映射,则以下表述等价:

  1. 是连续的;

  2. 对于任意开集,原像在中是开集;

  3. 对于任意闭集,原像在中是闭集。

证明

容易证明表述2和表述3等价,下面证明表述1和表述2等价。

  1. 若表述1为真,对于开集,考虑任意,那么是的开邻域。 连续性的定义要求是的邻域,因此存在开集使得。 这表明,即为开集,表述2为真;

  2. 若表述2为真,对于任意对应的像的邻域,存在开集使得。 根据条件,为的一个开邻域,因此也是的邻域,进而连续,表述1为真。

定义 A.8 (开映射与闭映射)

对于拓扑空间之间的映射,

  1. 若中任意开集的像在中是开集,则称映射为开映射(open map);

  2. 若中任意闭集的像在中是闭集,则称映射为闭映射(closed map);

命题 A.6 (子空间的嵌入映射)

设为拓扑空间,赋予以子空间拓扑,则包含映射是连续的,且子空间拓扑是上使得连续的最弱拓扑。

证明

对于中任意开集,显然在子空间拓扑内; 当时,对于任意,显然,因此; 另一方面,对于任意,,即,因此。 综上,在子空间拓扑内,因此是一个开集。 根据命题 A.5,连续。 对于上任意使得连续的拓扑以及任意开集,。 那么子空间拓扑包含在内,即子空间拓扑是所有使得连续的拓扑中最弱的。

推论 A.1

设和为拓扑空间,赋予为子空间拓扑。

  1. 若映射连续,则连续;

  2. 映射是连续当且仅当连续。

证明
  1. 根据命题 A.3和命题 A.6,连续;

  2. 若连续,则根据命题 A.3和命题 A.6,连续; 若连续,则对于的任意开子集,,进而

    (A.2.1)

    是开集,故根据命题 A.5,连续。

命题 A.7 (乘积拓扑的投影映射)

设和为拓扑空间,为其乘积拓扑空间,则投影映射

(A.2.2)
(A.2.3)

都是连续映射,也是开映射。

证明

根据命题 A.2,对于的任意开子集,,因此连续; 类似地也连续。 对于内的任意开集以及任意,存在使得。 此时存在和使得,因此。 利用的任意性,将记为,则,因此为开集,从而为开映射。

A.3同胚

定义 A.9 (同胚)

设和为拓扑空间,若存在可逆映射使得和都是连续映射,则称拓扑空间和同胚(homeomorphic),记作; 映射称为与之间的同胚。 在同胚下保持的性质称为拓扑性质(topological property)。

注

根据命题 A.5,集合的开性与闭性在同胚下保持,因此是最基本的拓扑性质。

命题 A.8

同胚是拓扑空间之间的等价关系。

证明

显然是拓扑空间与其自身的同胚,自反性得证; 对于拓扑空间,存在同胚,因此同胚的定义要求也是同胚,即,对称性得证; 对于拓扑空间和,存在同胚和,根据命题 A.3,也是同胚,传递性得证。

命题 A.9

设是一个连续双射,若是开映射或闭映射,则是同胚。

证明

设是从拓扑空间到的连续双射。 当是开映射时,对于任意开集,为开集。 根据命题 A.5,是连续映射,因此为同胚; 当是闭映射时,对于任意开集,为闭集,即为开集,回到前述讨论情形。

定义 A.10 (拓扑向量空间)

设为实(复)向量空间,并倍赋予了一个拓扑。 若加法映射

(A.3.1)

和标量乘法映射

(A.3.2)

在和上的乘积拓扑中是连续映射,则称为拓扑向量空间(topological vector space)。

A.4拓扑的基与子基

定义 A.11 (拓扑基)

若集族满足:

  1. 对于任意,存在使得;

  2. 对于任意和任意,存在使得;

则称为的一组拓扑基(basis for a topological),并称集族

(A.4.1)

是由基生成的拓扑(topology generated by the basis )。

注

这里我们对构成拓扑稍加说明: 显然,同时关于有限交集的封闭性由上述定义给出; 设为开集族,那么对于任意,存在指标使得。 根据定义,存在使得,因此。 可见的确构成一个拓扑。

注

不同的拓扑基可以生成相同的拓扑,例如、和是的三种不同的拓扑基,但它们生成相同的拓扑; 这一点容易通过相互包含验证。 另外,这三种拓扑基的基数也不尽相同,其中只有是可数的。

例 A.3

对于任意给定的拓扑空间,类似命题 A.2定义其乘积拓扑。 考虑集族。 对于任意,由于,必有,进而; 另一方面,对于任意和,以及任意,根据定义,,故存在,使得。 因此是的一个拓扑基,其生成的拓扑

(A.4.2)

称为上的箱拓扑(box topology)。

命题 A.10

若是的一个拓扑基,那么由其生成的拓扑为。

证明

根据定义,显然。 那么对于任意,均有,因此; 另一方面,对于任意以及内的元素,存在使得,那么,即,因此。

推论 A.2

设为的一组拓扑基,拓扑满足,则。

证明

根据命题 A.10,对于内的任意元素,存在使其可表示为。 因此若,则,进而,最终得到。

类似向量空间生成集的概念,我们也可以对一般子集族定义生成拓扑的概念。

定义 A.12 (生成拓扑)

对于任意的子集构成的族,称上包含的所有拓扑的交集是由生成的拓扑(topology generated by ),通常记作。

注

容易验证拓扑的交集也是拓扑; 根据定义,在使得中所有集合均为开集的拓扑中,是最弱的那个。

命题 A.11

设子集族,并记,那么

  1. 若,则是的一组拓扑基,并且;

  2. 一般地,若,则是上的一组拓扑基,并且。

证明

我们仅对第二条性质进行证明。 对于任意,存在子集使得,而; 对于任意和任意,存在和,使得且。 因此。 综上,是的一组拓扑基。 容易验证是上的一个拓扑,并且。 根据推论 A.2,; 另一方面,显然,根据推论 A.2,。 由于是上的拓扑,自然有,故,反向包含成立。

根据上述结论,我们可以引出拓扑子基的概念。

定义 A.13 (拓扑子基)

若集族满足,则称是的一组拓扑子基(subbasis for a topology),称为由子基生成的拓扑(topology generated by the subbasis )。

例 A.4
  1. 对于上的标准Euclidean拓扑,是一组拓扑基,而是一组拓扑子基;

  2. 对于上的乘积拓扑,是一组拓扑基,而是一组拓扑子基。

命题 A.12 (拓扑基的判据)

设为拓扑空间,那么集族是生成的一组拓扑基当且仅当,并且对于任意和任意,存在使得。

证明

充分性是显然的; 对于必要性,拓扑基的第一条要求可通过取证明。 对于任意和任意,首先有。 根据条件,存在使得。 综上,是的一组拓扑基,根据推论 A.2,。 另外,类似命题 A.10的证明,对于任意,,其中。 因此,反向包含成立。

命题 A.13 (拓扑子基的判据)

设为拓扑空间,那么集族是生成的一组拓扑子基当且仅当,并且对于任意和任意,存在使得。

证明

对于充分性,根据命题 A.11,可通过拓扑子基构造的一组拓扑基,使得。 那么显然有; 对于任意和任意,存在使得。 根据命题 A.11,这里的为中有限多个集合的交集,因此充分性得证。 对于必要性,根据命题 A.11,可通过拓扑子基构造的一组拓扑基,使得。 根据推论 A.2,意味着; 对于反向包含,考虑任意和任意,条件表明存在使得,因此,即。 根据命题 A.10,这意味着对任意成立,那么。 根据推论 A.2,。

定理 A.1 (连续映射的刻画:拓扑基与子基)

设是的一个拓扑基,是的一个拓扑子基,那么以下几种表述等价:

  1. 映射是连续映射;

  2. 对于任意,其原像在中是开集;

  3. 对于任意,其原像在中是开集。

A.5乘积拓扑

有了拓扑基的概念,现在我们可以重新审视命题 A.2中乘积拓扑的定义,将其定义推广到任意指标。

定义 A.14 (乘积拓扑)

设为一族拓扑空间,称上由子基生成的拓扑为的乘积拓扑(product topology),其中投影映射将映射到。

注

根据命题 A.13,容易验证对于两个拓扑空间,该定义可导出命题 A.2中的结果。

注

回顾例例 A.3中关于箱拓扑的定义。 对于任意指标和,取。 那么对于任意,分量,其余分量,因此,即。 根据推论 A.2,,即乘积拓扑弱于箱拓扑。 尽管乘积拓扑不如箱拓扑那样自然,但事实证明前者更重要: 乘积具有很多良好的拓扑性质,而箱拓扑在拓扑学中被广泛用作反例。 当然,对于有限乘积空间,这两种拓扑相同。

在此定义下,我们可以得到类似命题 A.7的结论。

命题 A.14

设为一族拓扑空间,那么无论赋予是乘积拓扑还是箱拓扑,对于任意指标,投影映射都是连续的开映射。

证明

由于,对于任意,只要就有,因此仅需在中证明映射的连续性; 类似地,仅需在中证明为开映射。 前者是显然的; 对于后者,回顾箱拓扑的定义式(A.4.2),对于任意开集以及任意,存在使得,因此。 利用的任意性,可知为开集,即为开映射。

命题 A.15 (乘积拓扑的刻画)

乘积拓扑是在上使得所有投影映射都连续的拓扑中最弱的拓扑。

证明

关于的连续性源于命题 A.14。 设为在使得所有典范投影均连续的拓扑。 那么根据命题 A.5,对于任意,,这意味着。 根据推论 A.2,。

定理 A.2 (乘积拓扑的泛性质)

设和每个均为拓扑空间,赋予空间以乘积拓扑。 定义映射为,则是连续映射当且仅当所有都是连续映射。 此外,乘积拓扑是上唯一满足此性质的拓扑。

证明

若连续,那么利用的连续性(命题 A.14)和复合映射的连续性(命题 A.3),也是连续的; 若连续,那么对于任意和相应子基,

(A.5.1)

根据命题 A.5,此时也是连续映射。 泛性质的证明从略。

注

事实上,箱拓扑就是上述不满足泛性质的一例。 例如设,定义映射为,那么的每个分量都是上元素到其自身的恒等映射,从而的每个分量都连续; 但是如果赋予以箱拓扑,那么在箱拓扑中是开集,但其原像不是中的开集。

A.6诱导拓扑

事实上,我们可以从命题 A.1中的子空间拓扑和命题 A.15中乘积拓扑的刻画中得到启发,利用“使得给定映射都连续的最弱拓扑”的特征,在原像空间上构造一个新的拓扑。 这就是诱导拓扑。

定义 A.15 (诱导拓扑)

设为一族拓扑空间,是一族映射,那么在上使得所有都是连续映射的拓扑中,最弱的拓扑称为的-诱导拓扑(-induced topology)或弱拓扑(weak topology)。

注
  1. 如果赋予最强的拓扑,即离散拓扑,则任何映射都是连续的,该情形平凡。 考虑在上的一族拓扑,若该拓扑族使得每个关于每个连续,那么也是上的一个拓扑,并且关于连续。 因此,在上存在唯一一个最弱拓扑,使得每个连续;

  2. 事实上,是由子基生成的拓扑: 首先对于任意和任意,定义要求,因此,进而推论 A.2要求; 其次对所有成立,这意味着包含的拓扑是使得连续的拓扑,从而。 综上,。

命题 A.16 (诱导拓扑的泛性质)

设为一族拓扑空间,为一族映射。 赋予以-诱导拓扑,那么对于任意拓扑空间,映射连续当且仅当所有均连续。 此外,-诱导拓扑是上唯一满足该性质的拓扑。

证明

若映射,则由复合函数的连续性(命题 A.3),也是连续的; 反之若连续,则对于每个拓扑子基,。 根据命题 A.5,连续。 泛性质的证明从略。

例 A.5
  1. 作为诱导拓扑的度量拓扑: 对于任意度量空间,度量拓扑是由所有度量球生成的; 换言之,度量拓扑是由映射族生成的诱导拓扑,其中定义为;

  2. 弱拓扑和弱-拓扑: 设为拓扑向量空间,为其对偶空间。 此时可以在上定义一个新的拓扑,同时在上定义一个自然的拓扑:

    1. 上的弱拓扑(weak topology)是生成的诱导拓扑,即上所有使得连续的拓扑中最弱的拓扑,因此上的弱拓扑比上的原始拓扑更弱;

    2. -上的弱-拓扑(weak-topology)是由,即使得上所有赋值映射都连续的拓扑中最弱的拓扑。

  1. 对于任意,离散度量将有序对映射到。