拓扑空间

度量空间

设XX为一集合,ρ:X×X→R\rho:X\times X\rightarrow R若对∀x,y,z∈X\forall x,y,z\in X,有

称ρ\rho为XX的一个度量,XX为带度量ρ\rho的度量空间,ρ(x,y)\rho(x,y)称为x,yx,y的距离.

在实数集RR上,定义度量ρ(x,y)=∣x−y∣\rho(x,y)=|x-y|,称为实数空间.
在RnR^n上,定义度量ρ(x,y)=∑(xi−yi)2\rho(x,y)=\sqrt{\sum(x_i-y_i)^2},称为nn维实数空间.
记H={x=(x1,x2⋯ )∣xi∈R,i∈N,∑xi2<∞}H=\lbrace x=(x_1,x_2\cdots)|x_i\in R,i\in N,\sum{x^2_i}<\infty\rbrace,ρ(x,y)=∑(xi−yi)2\rho(x,y)=\sqrt{\sum(x_i-y_i)^2},称为Hilbet空间.

称度量空间XX离散,如果∀x∈X,∃δx>0,∀y≠x∈X,ρ(x,y)>δx\forall x\in X,\exists \delta_x>0,\forall y\neq x\in X,\rho(x,y)>\delta_x.有限集上的度量空间都是离散空间.


设XX为度量空间,x∈Xx\in X,给定ε>0\varepsilon>0,{y∈X∣ρ(x,y)<ε}\lbrace y\in X|\rho(x,y)<\varepsilon\rbrace称为xx的ε\varepsilon-球形邻域,记作Bε(x)B_\varepsilon(x)或B(x,ε)B(x,\varepsilon).

设AA是度量空间XX的一个子集,如果AA中的每一点都有球形邻域包含于AA,称AA是度量空间的一个开集(开集是由内点组成的集合).

实数空间中的开集是任意开区间的并集.

设x∈Xx\in X,UU是XX的一个子集,如果存在开集VV使得x∈V⊂Ux\in V\subset U,则称UU是xx的一个邻域(xx是UU的内点).

UU是xx的一个邻域的充要条件是xx有某一个球形邻域包含于UU.


设XX和YY是两个度量空间f:X→Y,x0∈Xf:X\rightarrow Y,x_0\in X若对f(x0)f(x_0)的任意球形邻域B(f(x0),ε)B(f(x_0),\varepsilon),存在一个x0x_0的球形邻域B(x,δ)B(x,\delta),有f(B(x0,δ))⊂B(f(x0),ε)f(B(x_0,\delta))\subset B(f(x_0),\varepsilon),则称ff在x0x_0处连续.若ff在XX内每一点连续,称ff为一个连续映射.

拓扑空间

设XX是一非空集合,T\mathscr{T}是XXd的一个子集族,若满足

则称T\mathscr{T}是XX的一个拓扑,T\mathscr{T}中的元素称为开集.

由空集和全集构成的集合T={X,∅}\mathscr{T}=\lbrace X,\varnothing\rbrace称为平庸拓扑.
设XX是一个非空集合,令T=P(X)\mathscr{T}=P(X),称为离散拓扑.
设XX是一个非空集合,令T={U∣U⊂X,card(Uˉ)<∞}∪{∅}\mathscr{T}=\lbrace U|U\subset X,\mathrm{card}(\bar U)<\infty\rbrace\cup\lbrace\varnothing\rbrace,称为余有限空间.
设XX是一个非空集合,令T={U∣U⊂X,card(Uˉ)=ℵ0}∪{∅}\mathscr{T}=\lbrace U|U\subset X,\mathrm{card}(\bar U)=\aleph_0\rbrace\cup\lbrace\varnothing\rbrace,称为余可列空间.
设XX是度量空间,Tρ\mathscr{T}_\rho为XX中所有开集构成的子集族,称为XX由度量ρ\rho诱导出的拓扑.

设T\mathscr{T}是XX的一个拓扑,若存在XX的一个度量ρ\rho使得T\mathscr{T}是度量拓扑Tρ\mathscr{T}_\rho,则称(X,T)(X,\mathscr{T})可度量化.

X=1,2,T={∅,X}X={1,2},\mathscr{T}=\lbrace\varnothing,X\rbrace不可度量.
X=1,2,T={∅,X,{1}}X={1,2},\mathscr{T}=\lbrace\varnothing,X,\lbrace1\rbrace\rbrace不可度量.


设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y,若YY中每一个开集UU的原像f−1(U)f^{-1}(U)是XX的一个开集,则称ff连续.

设XX和YY是两个拓扑空间,如果f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个一一映射,并且ff和f−1f^{-1}都是连续的,则称ff为同胚映射.

设X,YX,Y是两个拓扑空间,如果存在一个同胚映射f:X→Yf:X\rightarrow Y,则称XX与YY同胚,记作X≅YX\cong Y.

拓扑空间的某种性质PP,如果为某一个拓扑空间所具有,则所有与其同胚的拓扑空间都具有,则称性质PP为拓扑不变性质,拓扑学的中心任务就是研究拓扑不变性质.

邻域

设XX为拓扑空间,x∈Xx\in X,如果UU是XX的一个子集,存在空集VV使得x∈V⊂Ux\in V\subset U,则称UU是点xx的一个邻域.点xx的所有邻域构成的子集族称为xx的邻域系,记作Ux\mathscr{U}_x.

X={1,2,3},T={∅,X,{1}}X=\lbrace1,2,3\rbrace,\mathscr{T}=\lbrace\varnothing,X,\lbrace1\rbrace\rbrace
1的开邻域有{1},X\lbrace1\rbrace,X
1的邻域还有{1,2},{1,3}\lbrace1,2\rbrace,\lbrace1,3\rbrace
3的开邻域有XX

子集UU是开集的充要条件是UU是它的每一点的邻域.

设XX为拓扑空间,Ux\mathscr{U}_x为xx的邻域系,则

设XX是一个非空集合,又设出每一点x∈Xx\in X的一个子集族Ux\mathscr{U}_x满足如上定理的若干条性质,则XX有唯一一个拓扑T\mathscr{T}使得对每一点xx,Ux\mathscr{U}_x恰是xx在拓扑空间中的邻域系.可以证明T={U∣U∈Ux,if x∈U}\mathscr{T}=\lbrace U|U\in\mathscr{U}_x,\mathrm{if}\:x\in U\rbrace.

设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y,若f(x)f(x)的每一个邻域UU的原像f−1(U)f^{-1}(U)是XX的一个邻域,则称ff于xx连续.

设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y,则映射ff连续当且仅当其在每一点处连续.

导集,闭集,闭包,内部,边界

设XX是一个拓扑空间,A⊂XA\subset X,若点x∈Xx\in X的每一个邻域UU中都有AA中异于xx的点,即U∩(A−{x})≠∅U\cap(A-\lbrace x\rbrace)\neq\varnothing,则称xx为集合AA的一个聚点.AA的所有聚点构成的集合称为AA的导集,记作A′A'.若x∈Ax\in A但xx不是AA的凝聚点,即存在xx的某个邻域UU使得U∩(A−{x})=∅U\cap(A-\lbrace x\rbrace)=\varnothing,则称xx为AA的孤立点.

Aˉ=A∪A′\bar A=A\cup A',称为AA的闭包.闭包都是闭集.

离散空间中的单点集是开集,因而任意离散空间的自己没有聚点,从而导集为∅\varnothing.
平庸空间XX中,空集没有凝聚点,导集为空集;单点集AA的邻域为XX,导集为X−AX-A;若AA中包含多余一个点,则AA的导集为XX

设XX为拓扑空间,A⊂XA\subset X,若A′⊂AA'\subset A,则称AA为闭集.AA是闭集当且仅当∁A\complement A为开集,当且仅当A=AˉA=\bar A.x∈Aˉx\in\bar A当且仅当xx的任何一个邻域UU都有U∩A=∅U\cap A=\varnothing.

离散空间的任何子集都是闭集.
平庸空间的任何非空真子集都不是闭集.
实数空间中的闭区间都为闭集,(−∞,a](-\infty,a]和[b,+∞)[b,+\infty)和(−∞,+∞)(-\infty,+\infty)都是闭集.

设XX是一个拓扑空间,记F\mathscr{F}为所有闭集构成的族,则

Cantor集是实数空间的一个闭集.

设XX是一个拓扑空间,记F\mathscr{F}为所有闭集构成的族,则对于XX的每一个子集AA,有Aˉ=⋂B∈F,B⊃AB\bar A=\bigcap_{B\in\mathscr{F},B\supset A}B即AA的闭包等于包含AA的所有闭集之交,即包含这个集合的最小闭集.

设XX是一个集合,映射c:P(X)→P(x)c:P(X)\rightarrow P(x)若满足∀A,B∈P(X)\forall A,B\in P(X)

则称为一个闭包运算.上述四条通称Kuratovski闭包公理.

设XX是一个集合,c:P(X)→P(x)c:P(X)\rightarrow P(x)是一个闭包运算,则存在XX的唯一一个拓扑T\mathscr{T},使得在拓扑空间下,对每个A⊂XA\subset X,有c(A)=Aˉc(A)=\bar A.即Kuratovski闭包公理与拓扑定义等价.


设XX是一个度量空间,XX中的点xx到非空子集AA的距离ρ(x,A)\rho(x,A)定义为inf(ρ(x,y)),∀y∈A\mathrm{inf}(\rho(x,y)),\forall y\in A.

设AA是度量空间XX的一个非空子集,则

设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y,则以下条件等价


设XX是一个拓扑空间,A⊂XA\subset X,若AA是点xx的一个邻域,即存在空集VV使得x∈V⊂Ax\in V\subset A,则称xx是集合AA的内点.集合AA的全部内点构成的集合称为AA的内部,记作AoA^o.内部都是开集.

设XX是一个拓扑空间,A⊂XA\subset X,则Ao=Ac‾cA^o=\overline{A^c}^c,Aˉ=Acoc\bar A=A^{coc}

拓扑空间XX的子集AA是开集当且仅当A=AoA=A^o.

设XX是一个拓扑空间,则对任意A,B∈XA,B\in X

设XX是一个拓扑空间,记T\mathscr{T}为XX的拓扑,则对于XX的每一个子集AA,有Ao=⋃B∈T,B⊃ABA^o=\bigcup_{B\in\mathscr{T},B\supset A}B即AA的内部等于包含于AA的所有空集之并,即含于这个集合的最大开集.可仿照闭包运算定义内部运算.


设XX是一个拓扑空间,A⊂XA\subset X,x∈Xx\in X.如果在xx的任何邻域中既有AA中的点又有AcA^c中的点,即有U∩A=∅U\cap A=\varnothing和U∩Ac=∅U\cap A^c=\varnothing,则称xx是集合AA的边界点.AA的全体边界点构成的集合称为AA的边界,记作∂A\partial A.

基

设XX是一个拓扑空间,B\mathscr{B}是T\mathscr{T}的一个子族,如果T\mathscr{T}中的每一个元素(即XX的每一个开集)都可表示成B\mathscr{B}中某些元素的并,即∀U∈T,∃B1⊂B,U=∪B∈B1B\forall U\in\mathscr{T},\exists\mathscr{B}_1\subset\mathscr{B},U=\cup_{B\in\mathscr{B}_1}B,则称B\mathscr{B}是拓扑T\mathscr{T}的一个基.

一个度量拓扑空间中的所有球形邻域是这个度量空间的一个基.
实数空间的所有开区间构成一个基.
离散空间的所有单点集构成一个基.

设B\mathscr{B}是拓扑空间XX的一个开集族(B⊂T\mathscr{B}\subset\mathscr{T}),则B\mathscr{B}是拓扑空间的一个基当且仅当对每一个x∈Xx\in X和xx的每一个邻域UxU_x,存在VX∈BV_X\in\mathscr{B}使得x∈Vx⊂Uxx\in V_x\subset U_x.

设XX是一个集合,B\mathscr{B}是集合XX的一个子集族(B⊂P(X)\mathscr{B}\subset P(X)),有

则子集族T={U⊂X∣∃BU⊂B,U=⋃B∈BUB}\mathscr{T}=\lbrace U\subset X|\exists \mathscr{B}_U\subset\mathscr{B},U=\bigcup_{B\in\mathscr{B}_U}B\rbrace是集合XX的唯一一个以B\mathscr{B}为基的拓扑;反之,若B\mathscr{B}是XX某一个拓扑的基,则B\mathscr{B}一定满足上述条件.

在实数集上,B={[a,b)∣a,b∈R,a<b}\mathscr{B}=\lbrace[a,b)|a,b\in R,a<b\rbrace是拓扑Tl\mathscr{T}_l的基,该拓扑称为实数下限拓扑.T⫋Tl\mathscr{T}\subsetneqq\mathscr{T}_l.


设(X,P)(X,\mathscr{P})是一个拓扑空间,S\mathscr{S}是P\mathscr{P}的一个子族,如果S\mathscr{S}的所有非空有限子族之交构成的集族B={⋂i=1nSi∣Si∈S,n∈Z+}\mathscr{B}=\lbrace \bigcap_{i=1}^{n}S_i|S_i\in\mathscr{S},n\in Z_+\rbrace是拓扑P\mathscr{P}的一个基,则称集族S\mathscr{S}是拓扑P\mathscr{P}的一个子基.

实数集的一个子集族S={(a,+∞)∣a∈R}∪{(−∞,b)∣b∈R}\mathscr{S}=\lbrace(a,+\infty)|a\in R\rbrace\cup\lbrace(-\infty,b)|b\in R\rbrace是实数空间的一个子基.

设XX是一个集合,S\mathscr{S}是XX的一个子集族(S⊂P(X)\mathscr{S}\subset P(X)),若X=⋃S∈SSX=\bigcup_{S\in\mathscr{S}}S,则XX有唯一的一个拓扑P\mathscr{P}以S\mathscr{S}为子基.若令B={⋂i=1nSi∣Si∈S,n∈Z+}\mathscr{B}=\lbrace \bigcap_{i=1}^{n}S_i|S_i\in\mathscr{S},n\in Z_+\rbrace则P={⋃B∈B1B∣B1⊂B}\mathscr{P}=\lbrace\bigcup_{B\in\mathscr{B}_1}B|\mathscr{B}_1\subset\mathscr{B}\rbrace

设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y,则以下条件等价


设XX是一个拓扑空间,x∈Xx\in X.记Ux\mathscr{U}_x为xx的邻域系.Ux\mathscr{U}_x的子族Vx\mathscr{V}_x若∀U∈Ux,∃V∈Vx,Vx⊂Ux\forall U\in\mathscr{U}_x,\exists V\in\mathscr{V}_x,V_x\subset U_x,则称Vx\mathscr{V}_x是点xx的一个邻域基.Ux\mathscr{U}_x的子族Wx\mathscr{W}_x的每一个有限非空子集之交的全体构成的集族,即{⋂i=1nWi∣Wi∈W,n∈Z+}\lbrace \bigcap_{i=1}^{n}W_i|W_i\in\mathscr{W},n\in Z_+\rbrace是Ux\mathscr{U}_x的一个邻域基,则Wx\mathscr{W}_x是xx的一个邻域子基.

度量空间某个点的全体球形邻域是这个点的一个邻域基.
度量空间某个点的全体有理数半径球形邻域是这个点的一个邻域基.

设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y,x∈Xx\in X,则以下条件等价

设XX是一个拓扑空间,x∈Xx\in X,则

序列

设XX为一个拓扑空间,映射S:Z+→XS:Z_+\rightarrow X叫做XX的一个序列,记作{xi}i∈Z+\lbrace x_i\rbrace_{i\in Z_+}.

设{xi}i∈Z+\lbrace x_i\rbrace_{i\in Z_+}是拓扑空间XX的一个序列,x∈Xx\in X.若对xx的每一个邻域UU,存在M∈Z+M\in Z_+,当i>Mi>M时有xi∈Ux_i\in U,则称点xx是序列{xi}i∈Z+\lbrace x_i\rbrace_{i\in Z_+}的一个极限点,记作lim⁡i→∞xi=x\lim\limits_{i\rightarrow\infty}x_i=x.如果序列至少有一个极限,称序列收敛.

设XX是一个拓扑空间,S,S1:Z+→XS,S_1:Z_+\rightarrow X是XX中的两个序列.如果存在一个严格递增的映射N:Z+→Z+N:Z_+\rightarrow Z_+,使得S1=S∘NS_1=S\circ N,则称S1S_1是SS的一个子序列,记作{xN(i)}i∈Z+\lbrace x_{N(i)}\rbrace_{i\in Z_+}.

{xi}i∈Z+\lbrace x_i\rbrace_{i\in Z_+}是拓扑空间XX的一个序列,则

设XX是一个拓扑空间,A⊂X,x∈XA\subset X,x\in X.如果有一个序列{xi}i∈Z+\lbrace x_i\rbrace_{i\in Z_+}在A−{x}A-\lbrace x\rbrace中,并收敛于xx,则xx是AA的一个聚点.反之则不然.

设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y,则

逆命题不成立.

设XX是一个度量空间,{xi}i∈Z+\lbrace x_i\rbrace_{i\in Z_+}是XX中的一个序列,x∈Xx\in X,则以下条件等价:

子空间、积空间、商空间

子空间

设(X,ρ)(X,\rho)为一个度量空间,YY是XX的一个子集,ρ∣Y×Y\rho|_{Y\times Y}称为ρ\rho诱导出来的度量,(Y,ρ)(Y,\rho)称为(X,ρ)(X,\rho)的度量子空间.

实数空间的子集如(a,b)(a,b),(a,b](a,b],[a,b][a,b]等是度量子空间.
n+1n+1维空间中的欧式球面.
nn维开球,nn维闭球等.

设YY是度量空间XX的度量子空间,则YY的子集UU是YY的开集当且仅当存在一个XX中的开集VV使得U=V∩YU=V\cap Y.

设YY是拓扑空间(X,T)(X,\mathscr{T})的子集,则集族T∣Y\mathscr{T}|_Y是YY的一个拓扑,称为相对拓扑,YY是XX的拓扑子空间.T∣Y\mathscr{T}|_Y表示{Y∩T∣T∈T}\lbrace Y\cap T|T\in \mathscr{T}\rbrace称为T\mathscr{T}在YY上的限制.

设YY是度量空间XX的度量子空间,则YY作为拓扑空间也是拓扑空间XX的拓扑子空间.

设YY是拓扑空间XX的子空间,设ZZ是拓扑空间YY的子空间,则设ZZ是拓扑空间XX的子空间.


设YY是拓扑空间XX的子空间,y∈Yy\in Y

设YY是拓扑空间XX的子空间,A⊂YA\subset Y

设YY是拓扑空间XX的子空间,y∈Yy\in Y


设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y如果它是一个单射,并且是从XX到它的像集f(X)f(X)的一个同胚,称为一个嵌入,此时称XX可嵌入YY.(YY与XX的某个子空间同胚,YY在同胚意义下是XX的子空间)

含有多余一个点的离散空间不可能嵌入到任何一个平庸空间去,前者不可度量,后者可度量.
含有多余一个点的平庸空间不可能嵌入到任何一个离散空间去,前者不可度量,后者可度量.

有限积空间

设(X1,ρ1),(X2,ρ2),⋯ ,(Xn,ρn),n≥1(X_1,\rho_1),(X_2,\rho_2),\cdots,(X_n,\rho_n),n\ge1为度量空间,令X=X1×X2×⋯×XnX=X_1\times X_2\times\cdots\times X_n,定义ρ:X×X→R\rho:X\times X\rightarrow R,有ρ=∑i=1nρi2\rho=\sqrt{\sum\limits_{i=1}^n\rho_i^2},称为积度量,(X,ρ)(X,\rho)称为度量积空间.

nn维欧式空间RnR^n是nn个实数空间的度量积空间.

设(X1,ρ1),(X2,ρ2),⋯ ,(Xn,ρn),n≥1(X_1,\rho_1),(X_2,\rho_2),\cdots,(X_n,\rho_n),n\ge1为度量空间,(X,ρ)(X,\rho)为度量积空间,设Ti\mathscr{T}_i和T\mathscr{T}分别为度量ρi\rho_i和ρ\rho所诱导出来的拓扑,则XX的子集族B={U1×U2×⋯×Un∣Ui∈Ti}\mathscr{B}=\lbrace U_1\times U_2\times\cdots\times U_n|U_i\in\mathscr{T}_i\rbrace是拓扑T\mathscr{T}的一个基.

设(X1,ρ1),(X2,ρ2),⋯ ,(Xn,ρn),n≥1(X_1,\rho_1),(X_2,\rho_2),\cdots,(X_n,\rho_n),n\ge1为拓扑,则X=X1×X2×⋯×XnX=X_1\times X_2\times\cdots\times X_n,有唯一一个拓扑T\mathscr{T}以XX的子集族B={U1×U2×⋯×Un∣Ui∈Ti}\mathscr{B}=\lbrace U_1\times U_2\times\cdots\times U_n|U_i\in\mathscr{T}_i\rbrace为它的一个基,称为积拓扑,(X,T)(X,\mathscr{T})称为拓扑积空间.

设XX是度量积空间,则将XX作为拓扑空间时也是拓扑积空间.

RnR^n是nn个RR的拓扑积空间.


设X=X1×X2×⋯×XnX=X_1\times X_2\times\cdots\times X_n是X1,X2,⋯ ,Xn,n≥1X_1,X_2,\cdots,X_n,n\ge1的积空间,Bi\mathscr{B}_i是XiX_i的基,则XX的子集族B~={B1×B2×⋯Bn∣Bi∈Bi}\tilde\mathscr{B}=\lbrace B_1\times B_2\times\cdots B_n|B_i\in\mathscr{B}_i\rbrace是XX的一个基.

实数空间RR有一个基由全体开区间构成,nn维欧式空间RnR^n有一个基由所有开立方体构成.

设X=X1×X2×⋯×XnX=X_1\times X_2\times\cdots\times X_n是X1,X2,⋯ ,Xn,n≥1X_1,X_2,\cdots,X_n,n\ge1的积空间,Ti\mathscr{T}_i和T\mathscr{T}分别为XiX_i和XX的拓扑,则XX以子集族S={πi−1(Ui)∣Ui∈Ti\mathscr{S}=\lbrace \pi_i^{-1}(U_i)|U_i\in\mathscr{T}_i为它的一个子基.其中πi:X→Xi\pi_i:X\rightarrow X_i为投影.

设X=X1×X2×⋯×XnX=X_1\times X_2\times\cdots\times X_n是X1,X2,⋯ ,Xn,n≥1X_1,X_2,\cdots,X_n,n\ge1的积空间,则πi:X→Xi\pi_i:X\rightarrow X_i是满的连续开映射,即把任何开集映射为开集.

πi:X→Xi\pi_i:X\rightarrow X_i未必是闭映射,如πi:R2→R\pi_i:R^2\rightarrow R,闭集B={(x1,x2)∈R2∣x1x2=1}B=\lbrace(x_1,x_2)\in R^2|x_1x_2=1\rbrace,但π1(B)=R−{0}\pi_1(B)=R-\lbrace0\rbrace不是RR的闭集.

设X=X1×X2×⋯×XnX=X_1\times X_2\times\cdots\times X_n是X1,X2,⋯ ,Xn,n≥1X_1,X_2,\cdots,X_n,n\ge1的积空间,YY为拓扑空间.则映射f:Y→Xf:Y\rightarrow X连续当且仅当对每一个ii,映射πi∘f:Y→Xi\pi_i\circ f:Y\rightarrow X_i连续.

设X=X1×X2×⋯×XnX=X_1\times X_2\times\cdots\times X_n是X1,X2,⋯ ,Xn,n≥1X_1,X_2,\cdots,X_n,n\ge1的积空间,T\mathscr{T}是积拓扑.考虑T~\tilde\mathscr{T}满足πi:X→Xi\pi_i:X\rightarrow X_i是连续映射,则T⊂T~\mathscr{T}\subset\tilde\mathscr{T}.即积拓扑是使得积空间到每一个做表空间的投影都连续的最小拓扑.

设X1,X2,⋯ ,Xn,n≥2X_1,X_2,\cdots,X_n,n\ge2是拓扑空间,则积空间X1×X2×⋯×XnX_1\times X_2\times\cdots\times X_n同胚于(X1×X2×⋯×Xn−1)×Xn(X_1\times X_2\times\cdots\times X_{n-1})\times X_n.即积空间可以归纳地定义.

商空间

设XX是一个拓扑空间,YY是一个集合,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个满射.则YY的子集族T1={U⊂Y∣f−1(U)∈T}\mathscr{T}_1=\lbrace U\subset Y|f^{-1}(U)\in\mathscr{T}\rbrace是YY的一个拓扑,称为商拓扑.

设XX是一个拓扑空间,YY是一个集合,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个满射.有

设XX和YY是拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个满射且YY的拓扑是对于ff而言的商映射,则称ff是一个商映射.


设XX,YY,ZZ是拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个商映射,则映射g:Y→Zg:Y\rightarrow Z连续当且仅当映射g∘f:X→Zg\circ f:X\rightarrow Z连续.

设XX和YY是拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个商映射.令R={(x1,x2)∈X2∣f(x1)=f(x2)}R=\lbrace(x_1,x_2)\in X^2|f(x_1)=f(x_2)\rbrace,则

设XX和YY是拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个连续的满射,并且是一个开映射或闭映射,则YY的拓扑便是相对于ff的商拓扑.

设XX是一个拓扑空间,RR是XX中的一个等价关系,商集X/RX/R(相对于自然投影π:X→X/R\pi:X\rightarrow X/R)的商拓扑TR\mathscr{T}_R称为X/RX/R(相对于RR的)商拓扑.(X/R,TR)(X/R,\mathscr{T}_R)称为(X,T)(X,\mathscr{T})的商空间.

在实数空间RR上给定∼={(x,y)∈R2∣x,y∈Qorx,y∉Q}\sim=\lbrace(x,y)\in R^2|x,y\in Q\quad\text{or}\quad x,y\notin Q\rbrace,则R/∼={[0],[2]}R/\sim=\lbrace[0],[\sqrt2]\rbrace,称为将实数空间中所有有理点和所有无理点分别粘合为一点得到的商空间,商拓扑是平庸拓扑.
在单位闭区间I=[0,1]I=[0,1]上给定∼={(x,y)∈I2∣x=yor{x,y}={0,1}}\sim=\lbrace(x,y)\in I^2|x=y\quad\text{or}\quad \lbrace x,y\rbrace=\lbrace0,1\rbrace\rbrace,则I/∼I/\sim称为将单位闭区间II中两个端点粘合为一点所得到的商空间,其与单位圆周S1S^1同胚.
将正方形的对边同向粘合,可以得到圆柱,其与S1×IS^1\times I同胚.
将正方形的对边反向粘合,可以得到Mobius带.
将圆柱两端同向粘合,可以得到环面,同胚于S1×S1S^1\times S^1.
将圆柱两端反向粘合,可以得到Klein瓶.

连通性

连通空间

设AA和BB是拓扑空间的两个子集,若(A∩Bˉ)∪(B∩Aˉ)=∅(A\cap\bar B)\cup(B\cap\bar A)=\varnothing,即互不包含的对方凝聚点的不交子集,则称AA和BB是隔离的.

在RR中,(0,1)(0,1)和(1,2)(1,2)隔离,但(0,1)(0,1)和[1,2)[1,2)不隔离.
空集和任意子集隔离.
平庸空间中的任何子集都不隔离.
离散空间中的任意不交子集都是隔离的.

设XX是一个拓扑空间,如果XX中有两个非空的隔离子集AA和BB使得X=A∪BX=A\cup B,则称XX是一个不连通空间,否则称XX是一个连通空间.

多于一个点的离散空间是不连通空间
而任何平庸空间都是连通空间

设XX是一个拓扑空间,则以下条件等价:

有理数集QQ是一个不连通空间.
实数空间RR是一个连通空间.


设YY是拓扑空间XX的一个子集,如果YY作为XX的子空间是一个连通空间,则称YY是XX的一个连通子集,否则称为不连通子集.

设XX是一个拓扑空间,且有Y⊂Z⊂XY\subset Z\subset X,则YY是XX的连通子集,当且仅当YY是ZZ的连通子集.

设YY是拓扑空间XX的一个子集,A,B⊂YA,B\subset Y,则AA和BB是子空间YY中的隔离子集当且仅当它们是XX中的隔离子集.

设YY是拓扑空间XX中的一个连通子集,如果XX中有隔离子集AA和BB使得Y⊂A∪BY\subset A\cup B,则有Y∈AY\in A或Y∈BY\in B.

设YY是拓扑空间XX的连通子集,Z⊂XZ\subset X,且满足Y⊂YˉY\subset\bar Y,则ZZ也是XX的一个连通子集.

设{Yγ}γ∈Γ\lbrace Y_\gamma\rbrace_{\gamma\in\varGamma}是拓扑空间XX的连通子集构成的子集族,若⋂γ∈ΓYγ≠∅\bigcap\limits_{\gamma\in\varGamma}Y_\gamma\neq\varnothing,则⋃γ∈ΓYγ≠∅\bigcup\limits_{\gamma\in\varGamma}Y_\gamma\neq\varnothing是XX的一个连通子集.

R2R^2中的若干条直线同胚于RR,交于一点,组成的图形是连通的.

设YY是拓扑空间XX中的一个子集,如果对于任意x,y∈Yx,y\in Y,存在XX中的一个连通子集YxyY_{xy}使得x,y∈Yxy⊂Yx,y\in Y_{xy}\subset Y,则YY是XX中的一个连通子集.


设f:X→Yf:X\rightarrow Y是从连通空间到拓扑空间YY的一个连续满射,则YY是连通空间.称连通性为在连续映射下保持不变的性质.

拓扑空间的某种性质,如果为一个拓扑空间所具有则必然为它的任何一个商空间所具有,则称这个性质是一个可商性质.

连通性是可商性质,连通空间的商空间是连通的.

设f:X→Yf:X\rightarrow Y是从连通空间到拓扑空间YY的一个连续映射,则f(x)f(x)是YY的一个连通子集.

拓扑空间的某种性质,如果为任意n≥1n\ge1个拓扑空间X1,X2,⋯ ,XnX_1,X_2,\cdots,X_n所具有则必然为积空间X1×X2×⋯×XnX_1\times X_2\times\cdots\times X_n所具有,则称这个性质是一个有限可积性质.

离散空间的积空间还是离散空间,平庸空间的积空间还是平庸空间,离散性和平庸性是有限可积性质.
连通空间的积空间还是连通空间.
RnR^n是连通空间.


设XX是一个拓扑空间,x,y∈Xx,y\in X,如果存在XX中的一个连通子集包含xx和yy,则称xx和yy连通.连通关系是一个等价关系.对于XX中的点的连通关系而言,每一个等价类称为拓扑空间XX的一个连通分支.

平庸空间只有一个连通分支.
离散空间每一个单点集都是一个连通分支.

设XX是一个拓扑空间,CC是XX的一个连通分支,则

即每一个连通分支都是最大的连通子集.

连通空间可以不是开集,如QQ的单点集.
当连通分支数目有限时,CC也一定是开集.

连通空间的数目是拓扑不变性质.

连通空间的应用

设EE是实数空间RR的一个子集,则EE是一个连通子集当且仅当EE是一个区间.

设XX是一个连通空间,f:X→Rf:X\rightarrow R是一个连续映射,则f(x)f(x)是RR中的一个区间.因此,若有x,y∈Xx,y\in X,则对于f(x)f(x)和f(y)f(y)之间的任意实数tt,总有z∈Xz\in X使得f(z)=tf(z)=t.

(介值定理).设f:[a,b]→Rf:[a,b]\rightarrow R是一个连续映射,则对于f(a)f(a)和f(b)f(b)之间的任何一个实数rr,存在z∈[a,b]z\in[a,b]使得f(z)=rf(z)=r.

(不动点定理)设f:[0,1]→[0,1]f:[0,1]\rightarrow[0,1],则存在z∈[0,1]z\in[0,1]使得f(z)=zf(z)=z.

(Brouwer不动点定理)设f:Dn→Dnf:D^n\rightarrow D^n是一个连续映射,则存在z∈Dnz\in D^n,使得f(z)=zf(z)=z.

(Borsuk-Ulam定理)设f:S1→Rf:S^1\rightarrow R是一个连续映射,则在S1S^1中存在一对对径点xx和−x-x,使得f(x)=f(−x)f(x)=f(-x).

(Borsuk-Ulam定理)设f:Sn→Rl(n≥l)f:S^n\rightarrow R^l(n\ge l)是一个连续映射,则存在x∈Snx\in S^n,使得f(x)=f(−x)f(x)=f(-x).

地球上总存在对称的两点,它们的温度和大气压的值正好都相同.

n>1n>1维欧式空间RnR^n的子集Rn−{0}R^n-\lbrace0\rbrace是一个连通子集.

R2R^2和RR是不同胚的.(a,b)(a,b)和[a,b][a,b]不同胚,一个圆和两个相切的圆不同胚.

局部连通

设XX是一个拓扑空间,x∈Xx\in X,若xx的每一个邻域UU中都包含着xx的某一个连通的邻域VV,则称XX在xx处局部连通.xx处局部连通当且仅当xx的所有连通邻域构成xx的一个邻域基.若XX在其内的每一个点都局部连通,则称XX是一个局部连通空间.

每一个离散空间都是局部连通空间,但多于一个点的离散空间是不连通的.
RnR^n的任何开子空间局部连通的,但两个不交开集并不是连通的.
令S={(x,sin⁡1x)∣x∈(0,1]}S=\lbrace(x,\sin\dfrac1x)|x\in(0,1]\rbrace,T={0}×[−1,1]T=\lbrace0\rbrace\times[-1,1],则SS是连通的,Sˉ=S∪T\bar S=S\cup T也是连通的,但Sˉ\bar S在TT不局部连通,Sˉ\bar S不是局部连通的.

设XX是一个拓扑空间,则以下条件等价:

从而,局部连通空间的每一个连通分支都是开集.

设XX和YY都是拓扑空间,其中XX局部连通,又设f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个连续开映射,则f(X)f(X)是一个局部连通空间.

设X1,X2,⋯ ,XnX_1,X_2,\cdots,X_n是n≥1n\ge1个局部连通空间,则积空间X1×X2×⋯×XnX_1\times X_2\times\cdots\times X_n也是局部连通空间.

道路连通空间

设XX是一个拓扑空间,从单位闭区间[0,1][0,1]到XX的每一个连续映射f:[0,1]→Xf:[0,1]\rightarrow X叫做XX中的一条道路,像集f([0,1])f([0,1])称作一条曲线.

设XX是一个拓扑空间,若对于任何x,yx,y,存在XX中的一条从xx到yy的道路,则称XX是一个道路连通空间.如XX中的一个子集YY是一个道路连通空间,则称作XX中的一个道路连通子集.

如果拓扑空间XX是一个道路连通空间,在XX也是连通空间.

设XX和YY是两个拓扑空间,其中XX是道路连通的,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个连续映射,则f(X)f(X)是道路连通的.

设X1,X2,⋯ ,XnX_1,X_2,\cdots,X_n是n≥1n\ge1个道路连通空间,则积空间X1×X2×⋯×XnX_1\times X_2\times\cdots\times X_n也是道路连通空间.

设XX是一个拓扑空间,x,y∈Xx,y\in X,如果XX中有一条从xx到yy的道路,则称xx和yy是道路连通的.道路连通关系是一个等价关系,对于XX中的道路连通关系而言,每一个等价类称为XX的一个道路连通分支.

RnR^n的任何一个连通开集都是道路连通的.
RnR^n的任何开集的每一个道路连通分支同时也是一个连通分支.

可数性公理

可数性公理

一个拓扑空间如果有一个可数基,则称这个拓扑空间是一个满足第二可数性公理的空间,简称为A2A_2空间.

实数空间RR是一个A2A_2空间,选取所有有理数为端点的开区间作为基族.
不可数离散空间不是A2A_2空间.

一个拓扑空间如果在每一点都有一个可数邻域基,则称这个拓扑空间是一个满足第一可数性公理的空间,简称为A1A_1空间.

每一个度量空间都是一个A1A_1空间.
XX是包含不可数个点的可数补空间,则XX不是A1A_1空间.

A2A_2空间都是A1A_1空间,但反之不成立.

设XX和YY是两个拓扑空间,f:X→Yf:X\rightarrow Y是一个满的连续开映射,如果X满足第二(一)可数性公理,则YY也满足第二(一)可数性公理.


拓扑空间的某种性质称为可遗传性质,如果一个拓扑空间具有则任何一个子空间也具有.拓扑空间的某种性质称为对于开(闭)子空间可遗传性质,如果一个拓扑空间具有则任何一个开(闭)子空间也具有.

离散性,平庸性都是可遗传性质.
连通性不是可遗传性质,但连通性对于开子空间可遗传.
如下,两个可数公理是可遗传的,也是有限可积的.

满足第二(一)可数性公理的空间的任何一个子空间也是满足第二(一)可数性公理的空间.

设X1,X2,⋯ ,XnX_1,X_2,\cdots,X_n是nn个满足第二(一)可数性公理的空间,则积空间X1×X2×⋯×XnX_1\times X_2\times\cdots\times X_n也是满足第二(一)可数性公理的空间.

RnR^n的每一个子空间都是A2A_2空间.