实分析

13.5 拓扑空间(选学)

摘录

  1. (度量空间的回顾与拓扑空间的开始)度量空间中我们将度量d作为基础对象,而对于更具一般性的拓扑空间来说,不存在度量的概念。拓扑空间以开集簇作为基本概念。在拓扑空间中,我们从开集入手,因此度量和度量球等在度量空间中有用的定义都是不必要的。不过对于前面章节中的概念(例如收敛,紧致性,连通性等),我们仍然能找到拓扑空间之中的拓展。

定义

  1. (13.5.1 拓扑空间)一个拓扑空间是一个有序对(X,F),其中X是一个集合,而F2XX的一个子集簇,该集簇中的元素叫做开集。此外,集簇F还必须满足如下性质:

    • 空集与整个集合本身X都是开集,也即FXF
    • 任意有限多个开集的交都是开集,也即若有V1,...,Vn都是F中的元素,那么V1...Vn也属于F
    • 任意多个(包括无限个)开集的并都是开集,也即若有(Vα)αIF中的一簇集合,那么αIVα也属于F

    (注:因此我们可以看到,任何的度量空间都是一个拓扑空间(我们只要将度量空间中所有的开集组成集合簇与原空间组成序对)。但是不是所有的拓扑空间都能通过度量生成,例如习题13.5.6中的例子)

  2. (13.5.2 邻域)(X,F)是一个拓扑空间,并设xXx邻域是指F中包含x的开集。

    (注:让我们回到度量空间,考虑某个度量空间(X,d),某个实数r>0与某个点xX,度量球B(x,r)就是x的一个邻域)

  3. (13.5.4 拓扑收敛)m是一个整数,(X,F)是一个拓扑空间,(x(n))n=mX中的点列,并设xX中的点。我们称序列(x(n))n=m收敛于x,当且仅当对于x的每一个邻域V,都存在Nm使得对所有的nN均有x(n)V

    (注:这个概念也是同度量空间中收敛的概念是一致的,但是对于拓扑空间中极限是否具有唯一性这个问题,如果拓扑空间满足一个称为豪斯道夫特性的性质那么这个问题就是肯定的,对于其它的拓扑空间则不一定)

  4. (13.5.5 内点,外点和边界点)(X,F)是拓扑空间,EX的子集,并设x0X中的点。如果存在x0的一个邻域V使得VE,那么我们称x0E内点;如果存在x0的一个邻域V使得VE=,那么我们称x0E外点;如果x0既不是E的内点也不是E的外点,那么我们称x0E边界点

    (注:这个概念也是同度量空间中的概念是一致的)

  5. (13.5.6 闭包)(X,F)是拓扑空间,EX的子集,并设x0X中的点。如果x0的每一个邻域V都与E有非空的交集,那么我们称x0E附着点。由E的全体附着点所构成的集合被称为E闭包。记作E

    (注:有一个定理12.2.10的部分类比,参见习题13.5.10)

  6. (无编号 闭集)(X,F)是拓扑空间,EX的子集。我们称集合E闭的,当且仅当它的补集X\E是开的(也即X\EF)。

    (注:由命题12.2.15(e)我们知道这个定义于度量空间中的定义也是一致的,还有部分类比命题12.2.15的命题也是成立的,参见习题13.5.11)

  7. (13.5.7 相对拓扑)(X,F)是拓扑空间,并设YX的子集,我们定义FY:={VY:VF},并称其为由(X,F)导出的Y上的拓扑。我们称(Y,FY)(X,F)拓扑子空间

    (注:事实上(Y,FY)就是一个拓扑空间,并且根据命题12.3.4我们知道这个概念于度量空间中相应的概念是一致的)

  8. (13.5.8 连续函数)(X,FX)(Y,FY)都是拓扑空间,f:XY是一个函数,并设x0X。我们称fx0处是连续的,当且仅当对于f(x0)的每一个邻域V都存在一个x0的邻域U使得f(U)V。我们称f连续的,当且仅当f在每一点xX处都连续。

    (注:这个定义与定义13.1.1是一致的,对定理13.1.4定理13.1.5的部分类比是成立的)

  9. (13.5.9 紧致拓扑空间)(X,F)是拓扑空间,如果X的每一个开覆盖都有一个有限子覆盖,那么我们称空间(X,F)紧致的。设YX的子集,如果(X,F)导出的Y上的拓扑子空间是紧致的,那么我们称Y紧致的

    (注:紧致度量空间中的许多内容在紧致拓扑空间中也是成立的,尤其是定理13.3.1命题13.3.2;相比于度量空间,遗憾的是拓扑空间中不存在柯西序列,完备空间,有界空间,一致连续等概念;通过逐字重复定义13.4.1定义13.4.3我们还可以为拓扑空间定义连通性的概念(当然,需要用相对拓扑的概念替换掉定义12.3.3),13.4节中大部分的结论和习题在拓扑空间中仍然成立)


课后习题

13.5.1 设X是一个集合,并设F:={,X}。证明:(X,F)是一个拓扑空间F被称为X上的平凡拓扑;如果X中包含不止一个元素,证明:平凡拓扑无法由在X上定义一个度量来得到,并证明:这个拓扑空间既是紧致的又是连通的

证明:(X,F)是一个拓扑空间。

于是要证明:

  • 空集与整个集合本身X都是开集,也即FXF

    这个是显然的。

  • 任意有限多个开集的交都是开集,也即若有V1...Vn都是F中的元素,那么V1...Vn也属于F

    注意到这任意多个开集要么是X要么是,于是当存在1in使得Vn=时,可以得到V1...Vn=;否则我们可以得到V1...Vn=X...X=X

  • 任意多个(包括无限个)开集的并都是开集,也即若有(Vα)αIF中的一簇集合,那么αIVα也属于F

    注意到这任意多个开集要么是X要么是,于是当存在1in使得Vn=X时,可以得到V1...Vn=X;否则我们可以得到V1...Vn=...=

综上,于是根据定义13.5.1可得(X,F)是一个拓扑空间。


证明:如果X中包含不止一个元素,平凡拓扑无法由在X上定义一个度量来得到。

不妨使用反证,我们假设平凡拓扑是可以通过在X上定义某个度量d得到,并且由于X中包含不止一个元素,我们记有abX。那么根据度量的定义,我们知道r:=d(a,b)>0。然后我们考虑度量球B(a,r),根据度量球的定义可知aB(a,r)bB(a,r),因此B(a,r)不可能等于X或者;此外注意到在命题12.2.15(c)我们知道B(a,r)是开集(于是B(a,r)F),这和平凡拓扑F只包含X的结论相矛盾。

综上,于是反证假设不成立,平凡拓扑不可能由在X上定义一个度量来得到。


证明:带有平凡拓扑F的拓扑空间(X,F)既是紧致的又是连通的。

我们先证明(X,F)是紧致的。

考虑由F中开集组成的集合簇(Vα)αI满足XαIVα。注意到平凡拓扑F中只有X,于是XαIVα当且仅当存在α0I使得Vα0=X(如果全是空集则并集αIVα也是空集)。于是我们可以得到Xα{α0}Vα(=X),而单点集显然是有限的。

于是综合可以得到对X的每一个开覆盖都有一个有限子覆盖,根据定义13.5.9我们可以得到(X,F)是紧致的。

然后我们证明(X,F)是连通的。

注意到平凡拓扑F中只有X,而不连通的定义(定义13.4.1)中隐含要求VW均不等于X(否则另外一个开集就是空集了),因此无法找到两个非空不相交的开集满足VW=X。从而(X,F)不是不连通的,即(X,F)是连通的。

综上,于是题目结论得证。

13.5.2 设(X,d)是一个度量空间(从而它也是一个拓扑空间),证明:定义12.1.14和定义13.5.4中序列收敛的概念是一致的

即需要证明:对任意(x(n))n=mX中的点列与xX中的一个点,(x(n))n=m是在定义12.1.14下收敛于x的当且仅当(x(n))n=m是在定义13.5.4下收敛于x的。

(x(n))n=m是在定义13.5.4下收敛于x的,则对于x的每一个邻域V,都存在Nm使得对所有的nN均有x(n)V。然后根据命题12.2.15(c)我们知道对任意的ε>0,度量球B(x,ε)是一个开集,从而B(x,ε)x的一个邻域;并且根据定义13.5.4的结论存在Nm使得对任意nN都有:

x(n)B(x,ε)d(x(n),x)ε

总结即有:对任意的ε>0,在Nm使得对任意nN都有d(x(n),x)ε。于是根据定义12.1.14的内容我们知道(x(n))n=m是定义12.1.14下的收敛于x的。

反过来,若(x(n))n=m是在定义12.1.14下收敛于x的,则对于任意的ε>0,存在一个Nm使得d(x(n),x)ε对所有的nN均成立。于是对任意Vx的邻域,由于VX是开集因此xV的内点,从而存在ε>0使得B(x,2ε)V。于是此时根据定义12.1.14的结论存在一个Nm使得对任意nN都有:

d(x(n),x)εx(n)B(x,2ε)V

x(n)V。总结即有:对任意Vx的邻域,都存在Nm使得对所有的nN均有x(n)V。于是根据定义13.5.4我们可以知道(x(n))n=m是在定义13.5.4下收敛于x的。

综上,于是我们证明了定义12.1.14和定义13.5.4中序列收敛的概念是一致的。

13.5.3 设(X,d)是一个度量空间(从而自然也是一个拓扑空间)。证明:定义12.2.5和定义13.5.5中的内点、外点和边界点的概念是一致的

注意到定义12.2.5与定义13.5.5中边界点的定义都是空间中既不是集合的内点也不是集合的外点的元素,因此只要证明两个定义的内点与外点概念是一致的,那么边界点的概念自然也就是一致的。

  • 内点的证明:

    x0是定义12.2.5下E的内点,那么存在一个r>0使得B(x0,r)E。注意到根据命题12.2.15(c)B(x0,r)X中的开集,因此根据定义13.5.2于是B(x0,r)x0的一个邻域,也即x0是定义13.5.5下E的内点。

    反过来,若x0是定义13.5.5下E的内点,那么存在一个x0的邻域V使得VE。又因为邻域的定义(定义13.5.2)我们知道V是包含x0的开集,从而根据度量空间中开集的定义有x0V的一个内点,于是存在r>0使得B(x0,r)VE,从而x0是定义12.2.5下E的内点。

  • 外点的证明:

    x0是定义12.2.5下E的外点,那么存在一个r>0使得B(x0,r)E=。注意到根据命题12.2.15(c)B(x0,r)X中的开集,因此根据定义13.5.2于是B(x0,r)x0的一个邻域,也即x0是定义13.5.5下E的外点。

    反过来,若x0是定义13.5.5下E的外点,那么存在一个x0的邻域V使得VE=。又因为邻域的定义我们知道V是包含x0的开集,从而根据开集的定义有x0V的一个内点,于是存在r>0使得B(x0,r)VB(x0,r)E=,从而x0是定义12.2.5下E的外点。

于是综上,我们证明了定义12.2.5与定义13.5.5中内点和外点的概念是一致的,从而如最开始所说边界点的概念也是一致的。于是我们证明了题目结论。

13.5.4 设(X,F)是一个拓扑空间,如果对于任意两个不同的点xyX,都存在x的邻域Vy的邻域W使得VW=,那么(X,F)就被称为豪斯道夫空间。证明:每一个度量空间生成的拓扑空间都是豪斯道夫空间;证明:平凡拓扑空间不是豪斯道夫空间;证明:对于豪斯道夫空间,命题12.1.20的类比成立;举例:存在非豪斯道夫空间,使得命题12.1.20的类比不成立(实际上我们遇到的绝大多数拓扑空间都是豪斯道夫空间。非豪斯道夫空间有一些病态倾向,所以研究它们没有多少价值)

证明:每一个度量空间生成的拓扑空间都是豪斯道夫空间。

考虑度量空间(X,d)中的任意两个点xy满足xy。于是根据度量满足的公理我们知道必然有r:=d(x,y)>0。然后我们考虑集合B(x,r/2)B(y,r/2),根据命题12.2.15(c)与度量球的定义它们分别是xy的邻域,然后注意到:

B(x,r/2)B(y,r/2)={zX:d(x,z)<r/2d(y,z)<r/2}

若存在zX满足d(x,z)<r/2d(y,z)<r/2,则根据度量空间中的三角不等式我们有:

d(x,y)d(x,z)+d(z,y)<r=d(x,z)

导出了矛盾,于是即有B(x,r/2)B(y,r/2)只能是空集。

于是我们证明了对任意度量空间(X,d)中的任意两个点xy满足xy都存在VW(也就是我们上面提到的两个度量球)分别是xy的邻域满足VW=,即每一个度量空间生成的拓扑空间都是豪斯道夫空间。


证明:平凡拓扑空间不是豪斯道夫空间。

事实上这个命题有个成立的前提是平凡拓扑空间至少存在两个元素,只有一个元素或者不存在元素的拓扑空间显然都是豪斯道夫空间(在这样的空间下根本找不到两个不同的元素,因此豪斯道夫空间的要求自动满足了)。

对某个平凡拓扑空间(X,F),考虑两个xyXxy。由于F是平凡拓扑因此有F={,X}显然不是xy的邻域,因此Xxy的在平凡拓扑下的唯一邻域,而显然XX。从而不可能存在x的一个邻域Vy的一个邻域W满足VW=

于是综上,我们证明了至少存在两个元素的平凡拓扑空间不是豪斯道夫空间。


证明:对于豪斯道夫空间,命题12.1.20的类比成立。

即证明:设(X,F)是一个拓扑空间,(x(n))n=mX中的收敛点列,如果存在两个点xxX使得(x(n))n=m同时收敛于xx,那么有x=x

我们使用反证法,假设有xx,则根据豪斯道夫空间的要求,存在Vx的邻域与Vx的邻域满足VV=。然后根据定义13.5.4,对V存在Nm使得对任意nN都有x(n)V;对V存在Nm使得对任意nN都有x(n)V。然后我们考虑任意的nmax(N,N)有:

x(n)Vx(n)V

这和VV=的假设矛盾。于是反证结束,反证假设不成立,只能有x=x


举例:存在非豪斯道夫空间,使得命题12.1.20的类比不成立。

如同我们上面证明的,考虑带有平凡拓扑的实数集R与常数序列(0)n=0。根据定义13.5.4我们不难发现对任意xR,我们都有:对任意x的邻域V(实际上对平凡拓扑V只能是R),存在0(N)0使得对任意n0(N)我们都有0(x(n))R(括号里面是注释对应定义中的内容)。

于是即对任意xR我们都有常数序列(0)n=0收敛于x,也就是说在这个非豪斯道夫空间中,序列的极限不是唯一的,命题12.1.20的类比不成立。

13.5.5 设X是任意给定的一个全序集,它具有序关系。称集合VX是开的,如果对于任意的xV,总能在V中找到一个区间{yX:a<y<b},或者一条射线{yX:a<y},或者一条射线{yX:y<b}(其中a,bX),或者整个空间X,使得x被包含在其中并包含于V。设F是由X中全体开集所构成的集合。证明:(X,F)是一个拓扑空间(其中F被称为全序集(X,)上的序拓扑,并且该空间是习题13.5.4意义下的豪斯道夫空间。证明:在实直线R上(具有标准的序),序拓扑与标准拓扑(即由标准度量生成的拓扑)是一致的。如果考虑将序拓扑应用到广义实数集R上,证明:R是具有边界{,+}的开集。设(xn)n=1R中的序列(从而也是R中的序列),证明:xn收敛于+,当且仅当lim infnxn=+xn收敛于,当且仅当lim supnxn=

证明:(X,F)是一个拓扑空间,并且该空间是习题13.5.4意义下的豪斯道夫空间。

于是需要证明:

  • XFF

    由于空集不存在元素因此它显然是序拓扑下的开集,然后对于X,对任意的xX我们都知道有xXXX,于是根据序拓扑定义即有X是开集,从而XF

  • 若有V1...Vn都是F中的元素,那么V1...Vn也属于F

    考虑任意的xV1...Vn,于是对任意的1mn都有xVm。由于对任意的1mn都有Vm是开集,于是根据序拓扑定义存在一个形如序拓扑要求的四种集合形式之一的Vm的子集U满足xUUVm。此时我们利用选择公理,为每一个1mn指定一个Wm是满足上面要求的UVm

    于是我们考虑下面的两个集合:

    A:={aX:1mn,Wn{yX:a<y}{yX:a<y<b}}B:={bX:1mn,Wn{yX:y<b}{yX:a<y<b}}

    这两个集合显然是有限的(当然,它们有可能是空集),然后我们依照下面的准则构造一个新的集合W

    W:={{yX:maxA<y<minB}ifAB{yX:maxA<y}ifAB={yX:y<minB}ifA=BXifA=B=

    其中minSmaxS分别表示集合S的最大元素与最小元素(在序关系下),显然W总会是满足序拓扑四种集合形式之一的集合。我们来WV1...Vn且有xW

    可以列出AB可能的情况与对应的证明如下:

    • AB

      由于A是全序集X的有限子集因此我们知道它肯定存在唯一的最大元素与最小元素(习题8.5.8与习题8.5.7),并且最大元素与最小元素都属于集合本身(归纳易得),换言之即存在1mn使得Wm具有{yX:maxA<y}{yX:maxA<y<b}的形式,又因为xWm于是我们知道有maxA<x为真;类似地我们可以论证得到x<minB为真,于是此情景下我们有xW

      然后对任意的yX满足maxA<y<minB,考虑任意的1mnWm的形式,可以列出有:

      {minB,minB<bmaxA,a<maxAyWmWmVmxVmifWm={zX:a<z<b}maxA,a<maxAyWmWmVmyVmifWm={zX:a<z}minB,minB<byWmWmVmyVmifWm={zX:z<b}:yXyWmWmVmyVmifWm=X

      (上面的推论过程还需要用到序关系的传递性)于是即有yV1...Vn,从而即此情景下WV1...Vn

    • AB=

      注意到B=表明不存在Wm1mn)具有{yX:y<b}{yX:a<y<b}的形式,从而对任意的1mnWm要么是形如{yX:a<y}的集合要么是X,结合xWm于是我们可以得到maxA<x(在上面AB的情况里面我们已经叙述了存在一个1mn使得Wm具有{yX:maxA<y}的形式),于是此情景下我们有xW

      然后对任意的yX满足maxA<y,考虑任意的1mn。如果WmX,那么有yWmWmVmyVm;如果Wm是形如{zX:a<z}的集合,那么由于最大元素的性质我们有a<maxAmaxA<ya<y,于是即有yWmWmVmyVm。于是即有yV1...Vn,从而即此情景下有WV1...Vn

    • A=B

      这个情景的证明和AB=的情况很类似,稍作修改即可:

      注意到A=表明不存在Wm1mn)具有{yX:a<y}{yX:a<y<b}的形式,从而对任意的1mnWm要么是形如{yX:y<b}的集合要么是X,结合xWm于是我们可以得到x<minB(在上面AB的情况里面我们已经叙述了存在一个1mn使得Wm具有{yX:y<minB}的形式),于是此情景下我们有xW

      然后对任意的yX满足y<minB,考虑任意的1mn。如果WmX,那么有yWmWmVmyVm;如果Wm是形如{zX:z<b}的集合,那么由于最小元素的性质我们有minB<by<minBy<b,于是即有yWmWmVmyVm。于是即有yV1...Vn,从而即此情景下有WV1...Vn

    • A=B=

      注意到AB都是空集,这表明对任意的1mnWm都是X,由于WmVmX,于是这有限个开集全都是X,即有V1...Vn=X。此时根据我们的构造W也是X,于是显然有WV1...VnxW

    综上,于是V1...Vn是满足序拓扑定义的开集。

  • 即若有(Vα)αIF中的一簇集合,那么αIVα也属于F

    考虑任意的xαIVα,于是存在αI使得xVα。由于Vα是开集,于是存在一个Vα的子集W是满足序拓扑定义中的四种形式之一的集合,并且有xW。特别地,注意到WVα的子集则必然有WαIVα,于是此时根据序拓扑定义可以直接得到αIVα是开集,也即αIVαF

综上,于是我们证明了(X,F)是一个拓扑空间,然后我们来证明(X,F)还是一个豪斯道夫空间。

首先我们需要证明一个子结论:对任意X的形如{yX:a<y}{yX:y<b}{yX:a<y<b}(其中abX)的子集VV都是序拓扑下的开集。这是因为对任意的xV,都有V属于序拓扑要求的四种形式之一且满足xVVX,因此V是序拓扑定义下的开集。

于是不妨使用反证法,我们假设(X,F)不是一个豪斯道夫空间。于是存在一对xyXxy使得对任意Vx的邻域与Wy的邻域,都有VW。由于X是全序的,于是不失一般性地我们假设x<y。然后根据上面的结论,显然有{zX:z<y}x的一个邻域,{zX:x<z}y的邻域。于是即:

{zX:z<y}{zX:x<z}cX,x<c<y

然后此时我们取V:={zX:z<c}W:={zX:c<z}。显然Vx的邻域且Wy的邻域,但是注意到VW必然是空集(不可能存在元素zX使得z<cz>c同时为真),这和我们的反证假设相矛盾。于是反正假设不成立,只能有(X,F)是一个豪斯道夫空间。


证明:在实直线R上,序拓扑与标准拓扑是一致的。

即证明任意R的子集S是序拓扑下的子集当且仅当它是在标准度量下的开集。考虑到命题12.2.15(a)与序拓扑的定义,于是只需要证明:

对任意xS,存在形如(a,b)(a,+)(,b)(其中abR)的区间或整个实数集RS的子集且包含x当且仅当存在r>0使得(xr,x+r)S

下面开始我们的证明:

若存在r>0使得(xr,x+r)S,注意到(xr,x+r)实际上就是一个形如(a,b)的区间,于是即存在形如(a,b)的区间是S的子集且包含x

反过来,若有存在形如(a,b)(a,+)(,b)(其中abR)的区间或整个实数集RS的子集且包含x。我们考虑将R写为(,+)的形式,这样我们可以将这四种可能的形式统一改写为区间(c,d)的形式(其中cdR),然后额外定义任意实数减去都等于++减去任意实数都为+(这个定义只是为了表述方便,不需要考虑它是否合理),然后令有:

r:=min{1,xc,dx}

然后此时可以验证有:

1>0,xc>0,dx>0r>0xrx(xc)=cx+rx+(dx)=d

于是(xr,x+r)(c,d)(xr,x+r)S,并且显然有x(xr,x+r)。于是即存在r>0使得(xr,x+r)S

综上,于是结论得证。


证明:R是具有边界{,+}的开集。

首先证明R是开集,对任意xR我们知道存在(x1,x+1)满足(x1,x+1)Rx(x1,x+1),于是根据序拓扑的定义我们知道R是开的。

然后我们证明R的边界是{,+}。显然+是唯二两个不是R的内点的广义实数(不属于R),因此只要能证明+也不是R的外点就得证了E={,+}

+为例,考虑任意+的邻域V,由于V是开集因此根据序拓扑的定义,存在形如(a,b)(a,+][,b)R的集合W包含于V且包含+。注意到+大于等于任何的广义实数,因此W不可能是形如(a,b)[,b)b不可能大于+);如果WR则此时只能有V=R,于是RR=R;如果W是形如(a,+]的区间,则当a=的时候我们知道0W0V,因此VR至少包含0肯定是非空的。当aR时我们知道a+1Wa+1V,因此VR至少包含a+1肯定是非空的。

于是综上即有,对任意V+的邻域,都有VR,于是根据外点的定义显然+不是R的一个外点。类似地也可以证明不是R的一个外点。

综上,于是结论得证。


证明:xn收敛于+,当且仅当lim infnxn=+xn收敛于,当且仅当lim supnxn=

我们证明第一个结论,第二个结论可以使用类似地方法证明。

(xn)n=0收敛于+,则对任意+的邻域V,都存在N0使得对任意nN都有xnV。特别地,根据上面已经讨论过的结论我们有对任意的实数c都有(c,+]+的邻域,于是对任意实数c都存在Nc0使得对任意nN都有:

xn(c,+]xn>cinfnNcxnc

于是序列(infnNxn)N=0不以任何实数c为上界,然后根据上确界的确定方法(定义5.5.10),即有:

lim infnxn=supN0infnNxn=+

于是结论证明完备,类似地我们也可以证明xn收敛于,当且仅当lim supnxn=

13.5.6 设X是一个不可数集,并设F是由X中所有满足下列条件的子集E构成的集簇:E要么是空集,要么是余有限的(也就是说X\E是有限的)。证明:(X,F)是一个拓扑空间F被称为X上的余有限拓扑,它不是习题13.5.4意义下的豪斯道夫空间,但它是紧致的连通空间。此外,证明:如果xX并且(Vn)n=1是由可数个包含x的开集构成的集簇,那么n=1Vn{x}。据此证明:余有限拓扑空间无法由在X上定义一个度量d来得到(提示:在度量空间中,n=1B(x,1n)等于什么)

证明:(X,F)是一个拓扑空间。

于是即证明F满足:

  • 空集与整个集合本身X都是开集,也即FXF

    根据F的定义直接有是开的,于是F;然后注意到X\X=是个有限集,因此根据余有限拓扑定义X也是开的,于是XF

  • 任意有限多个开集的交都是开集,也即若有V1...Vn都是F中的元素,那么V1...Vn也属于F

    注意到根据布尔代数V1...Vn的补集有:

    X\(V1...Vn)=i=1nX\Vi

    注意到这是有限个有限集的并集,于是根据基数运算的定理我们知道它必然也是有限的。于是根据余有限拓扑的定义我们知道V1...Vn也是开的,即V1...VnF

  • 任意多个(包括无限个)开集的并都是开集,也即若有(Vα)αIF中的一簇集合,那么αIVα也属于F

    注意到αIVα的补集有:

    xX\αIVαxXαI,xVααI,xVαxXxαIX\Vα

    即有X\αIVα=αIX\Vα。然后根据交集的性质我们知道对任意的βI都有αIX\VαX\Vβ的子集,而由于余有限拓扑的定义要求X\Vβ是有限的,从而根据基数运算的定理αIX\Vα也应该是有限的。此时根据余有限拓扑的定义即αIVα是开的,即αIVαF

综上,于是我们证明了(X,F)是一个拓扑空间。


证明:(X,F)不是一个豪斯道夫空间。

使用反证法,如果(X,F)是一个豪斯道夫空间,那么任取xyXxy,根据豪斯道夫空间的定义分别存在x的邻域Vy的邻域W使得VW=。注意到邻域不可能为空,于是V只能是余有限的(即X\V是有限的)。然后考虑任意的wW应该有:

wWVW=wVWXwXwX\V

于是根据子集的定义WX\V的子集,因此W也应该是有限的。考虑到上面对V的推论也可以应用到W,因此W也只能是余有限的,从而X=W(X\W)也应该是有限的,这和X不可数的前提矛盾。

综上,于是反证假设不成立,(X,F)不可能是一个豪斯道夫空间。


证明:(X,F)是一个紧致空间。

考虑任意由(X,F)中的开集簇{Vα}αI构成X的一个开覆盖αIVα。注意到I肯定是非空的,因此我们可以选出一个α0I,于是Vα0是一个开集。然后根据余有限拓扑的定义,X\Vα0是有限的,我们不妨假设它是一个形如:

X\Vα0={xiX:1in}

的集合(也就是说假设X\Vα0的基数为自然数n),然后根据开覆盖的定义我们有:

{xiX:1in}XαIVα

于是对任意的1inxiαIVα表明存在αiI使得xiVαi,然后我们考虑下面的并集:

α{αiI:0in}Vα

首先注意到{αiI:0in}显然是I的一个有限子集,并且还可以注意到:

xX{xα{αiI:0in}VαifxVα0xX\Vα01in,x=xixVαixα{αiI:0in}VαifxVα0

于是根据子集定义有Xα{αiI:0in}Vα,于是α{αiI:0in}Vα是开覆盖αIVα的一个有限子覆盖。

综上,于是我们证明了X的任意开覆盖都存在有限子覆盖,于是根据定义13.5.9有(X,F)是一个紧致空间。


证明:(X,F)是一个连通空间。

不妨使用反证法,我们假设(X,F)是不连通的,于是存在两个互不相交的非空开集VW使得VW=X。显然这表明VW互相为对方的补集,因此根据余有限拓扑的定义我们知道这表明WV都是有限集,从而根据基数运算我们有X也是有限的,这和X是不可数集的前提是矛盾的。

综上,于是反证假设不成立,(X,F)必然是一个连通空间。


证明:如果xX并且(Vn)n=1是由可数个包含x的开集构成的集簇,那么n=1Vn{x}

不妨使用反证法,我们假设n=1Vn={x}。注意到:

xX\n=1VnxXnN,xVnnN,xX\Vnxn=1X\Vn

然后由于余有限拓扑的定义,对任意n1都有X\Vn是有限的。于是根据习题8.1.9的结论,我们知道n=1X\Vn是至多可数的,进而{x0}(n=1X\Vn)也是至多可数的,此时由于:

{x0}(n=1X\Vn)=(n=1Vn)(X\n=1Vn)=X

于是即X是至多可数的,这和X是不可数的前提矛盾,反证假设不成立,只能有n=1Vn{x}


证明:余有限拓扑不可能由X上定义一个度量d导出。

使用反证法,我们假设存在某个X上的度量d使得余有限拓扑可以被d导出。那么由于度量球总是开的,对任意的xX,我们考虑交集n=1B(x,1/n)。显然x属于这个交集,并且对任意yx,根据度量的定义我们知道r:=d(x,y)>0,然后根据阿基米德性质我们知道存在一个n1使得1n<ryB(x,1n),从而即yn=1B(x,1/n)

于是我们证明了在反证假设下有n=1B(x,1/n)={x},但是这和我们上面证明了的结论矛盾,于是反证假设不成立,余有限拓扑不可能由X上定义一个度量d导出。

(题外话,证明这个结论只需要利用(X,F)是非豪斯道夫空间就行了吧,毕竟我们已经在习题13.5.4中证明了任意的度量空间都是豪斯道夫空间,于是(X,F)作为非豪斯道夫空间不应该能够通过任何X上的度量导出)

13.5.7 设X是一个不可数集,并设F是由X中所有满足下列条件的子集E构成的集簇:E要么是空集,要么是余可数的(也就是说X\E是至多可数的)。证明:(X,F)是一个拓扑空间F被称为X上的余可数拓扑,它不是习题13.5.4意义下的豪斯道夫空间,它是一个连通空间,但它不能由度量空间生成,也不是一个紧致空间

证明:(X,F)是一个拓扑空间。

于是即证明F满足:

  • 空集与整个集合本身X都是开集,也即FXF

    根据F的定义直接有是开的,于是F;然后注意到X\X=是个至多可数集,因此根据余可数拓扑定义X也是开的,于是XF

  • 任意有限多个开集的交都是开集,也即若有V1...Vn都是F中的元素,那么V1...Vn也属于F

    注意到根据布尔代数V1...Vn的补集有:

    X\(V1...Vn)=i=1nX\Vi

    注意到这是有限个至多可数集的并集,于是根据习题8.1.9我们知道它必然也是至多可数的。于是根据余可数拓扑的定义我们知道V1...Vn也是开的,即V1...VnF

  • 任意多个(包括无限个)开集的并都是开集,也即若有(Vα)αIF中的一簇集合,那么αIVα也属于F

    注意到αIVα的补集有:

    xX\αIVαxXαI,xVααI,xVαxXxαIX\Vα

    X\αIVα=αIX\Vα。然后根据交集的性质我们知道对任意的βI都有αIX\VαX\Vβ的子集,而由于余可数拓扑的定义要求X\Vβ是至多可数的,从而根据命题8.1.7αIX\Vα也应该是至多可数的。此时根据余可数拓扑的定义即αIVα是开的,即αIVαF

综上,于是我们证明了(X,F)是一个拓扑空间。


证明:(X,F)不是一个豪斯道夫空间。

使用反证法,如果(X,F)是一个豪斯道夫空间,那么任取xyXxy,根据豪斯道夫空间的定义分别存在x的邻域Vy的邻域W使得VW=。注意到邻域不可能为空,于是V只能是余可数的(即X\V是至多可数的)。然后考虑任意的wW应该有:

wWVW=wVWXwXwX\V

于是根据子集的定义WX\V的子集,因此根据命题8.1.7W也应该是至多可数的。考虑到上面对V的推论也可以应用到W,因此W也只能是余可数的,从而X=W(X\W)也应该是至多可数的(命题8.1.10),这和X不可数的前提矛盾。

综上,于是反证假设不成立,(X,F)不可能是一个豪斯道夫空间。


证明:(X,F)不是一个紧致空间。

由于X是不可数的,因此我们可以使用选择公理从X中选择出一个元素x0,然后对任意的n>0,我们递归地定义xn是从非空集合X\{xiX:0in1}中通过选择公理得到的元素。从而我们得到了集合

S:={xiX:iN}

显然是一个可数集。从而我们定义开集簇(Vα)α=0有:

Vα:=(X\S){xα}

显然我们有:

αNVα=(X\S){xα:αN}=X

于是开集簇(Vα)α=0构成了X的一个开覆盖,但是对任意N的有限子集F,都可以得到:

αNVα=(X\S){xα:αF}xmax(F)+1Xxmax(F)+1αNVα

于是开覆盖αNVα不存在任何有限子覆盖,根据紧致空间的定义这表明(X,F)不是一个紧致空间。


证明:(X,F)是一个连通空间。

不妨使用反证法,我们假设(X,F)是不连通的,于是存在两个互不相交的非空开集VW使得VW=X。显然这表明VW互相为对方的补集,因此根据余可数拓扑的定义我们知道这表明WV都是至多可数集,从而根据命题8.1.10我们有X也是至多可数的,这和X是不可数集的前提是矛盾的。

综上,于是反证假设不成立,(X,F)必然是一个连通空间。


证明:余可数拓扑不可能由X上定义一个度量d导出。

使用反证法,如果余可数拓扑是可以由X上定义一个度量d导出的,那么根据我们在习题13.5.4中的结论我们知道(X,F)必然是一个豪斯道夫空间,但是在上面我们已经证明了(X,F)不可能是一个豪斯道夫空间,这导出了矛盾。

综上,于是反证假设不成立,余可数拓扑不可能由X上定义一个度量d导出。

13.5.8 证明:存在一个不可数的良序集ω1+1,它的最大元素为。并且对任意的yω1+1\{},前段{xω1+1:x<y}都是可数的(提示:利用习题8.5.19给实数排序,取全体可数前段的并集,然后添加上最大元素。如果给ω1+1附加上习题13.5.5中的序拓扑,证明:ω1+1是紧致的,但是并非所有的序列都存在一个收敛的子序列(于是我们在度量空间中知道的两个紧致性等价描述在拓扑空间内不是等价的)

注:本题已经在第三版勘误表中被标记为错误删除,ω1+1事实上同时是列紧且紧的,详情见:Analysis II:Errata。(但是由于这个不可数良序集的存在很有趣,关系到最小不可数基数1的一些相关内容,所以还是写了一点)


根据良序原理我们知道实数集上存在一个良序关系,然后我们定义下面的集合Ω

Ω:={xR:{yR:yx}}

Ω如果是空集,那么也就是说对所有的xR都有{yR:yx}可数,此时只要我们为序关系额外定义对所有的xR都有x,那么就可以得到所要求的ω1+1(实数集R添加一个元素后依然是不可数的)。

Ω如果不是空集,那么由于(R,)是良序的,因此Ω存在一个最小元素x0,此时我们定义集合ω1有:

ω1:={xR:xx0}

由于x0Ω,因此ω1是不可数的。另一方面,对任意的xω1,由于x0Ω的最小元素且xx0,因此有xΩ,换言之即前段{yR:yx}是可数的,再注意到序关系的传递性(yx,xx0yx0yω1),因此也即有:

{yR:yx}={yω1:yx}

于是类似上面的做法,为序关系额外定义对所有的xR都有x,然后定义ω1+1:=ω1{},于是我们就得到了要求的不可数良序集ω1+1

13.5.9 设(X,F)是一个紧致的拓扑空间。假设这个空间是第一可数的,也就是说,对于任意的xX,存在由x的可数个邻域V1,V2,...构成的邻域簇,使得x的任意一个邻域都包含该邻域簇中的一个Vn。证明:X中的每一个序列都有一个收敛的子序列,从而X是序列紧致的(修改习题12.5.11,解释这为什么不与习题13.5.8矛盾

我们首先需要说明在拓扑空间下序列(x(n))n=m存在一个收敛的子序列意味着什么。为了给出一个明确的概念我们需要尝试将度量空间下“极限点”的概念扩展到拓扑空间,我们定义有:

(x(n))n=m是拓扑空间(X,F)中的一个点列,并设LX。我们称L(x(n))n=m的一个极限点,当且仅当对于L的任意一个邻域V与任意的Nm,存在nN使得x(n)V

然后我们可以证明在第一可数的拓扑空间下也有类似于度量空间中的结论:序列(x(n))n=m存在一个收敛于x的子序列当且仅当x(x(n))n=m的极限点。

证明:

(x(n))n=m存在一个收敛于x的子序列(x(nj))j=m,则根据拓扑收敛的定义可知对任意x的邻域V存在Jm使得对所有的jJ都有x(nj)V。特别注意到根据子序列的要求我们有njj,从而对任意的Nm,我们可以选取序列项x(nmax(J,N)),此时必然有nmax(J,N)Nnmax(J,N)J,从而x(nmax(J,N))是满足x(nmax(J,N))V的序列项。此时根据极限点的定义即有x(x(n))n=m的极限点。

另一方面,若x(x(n))n=m的极限点,首先根据第一可数空间的性质我们知道存在x的可数个邻域(Vi)i=m;然后我们定义nm:=m,并递归地定义njj>m)为通过极限点定义确定的满足nnj1x(n)Vm...Vj1的整数n(这需要用到选择公理)。从而显然(x(nj))j=m(x(n))n=m的子序列,并且对于任意x的邻域V,根据第一可数空间的要求我们知道存在某个im使得ViV,从而对任意的ji+1都有x(nj)Vix(nj)V,此时根据拓扑极限的定义我们就可以得到子序列(x(nj))j=m收敛于x

(从上面的证明其实也可以看出第一可数空间使得在有极限点的情况下可以推断出一个收敛子序列)

于是我们得到了拓扑(X,F)中的序列(x(n))n=m存在一个收敛的子序列当且仅当存在xX满足对任意x的邻域V与任意的Nm,存在nN使得x(n)V

接下来开始我们正式的证明。


使用反证法,我们假设存在(X,F)中的序列(x(n))n=0不存在任何收敛的子序列,于是根据上面的证明我们知道即有对任意的xX都有x不是(x(n))n=0的极限点。即:

对任意的xX,存在x的邻域Vx与某个Nx0,对任意的nNx都有x(n)V

换言之即Vx至多只能包含(x(n))n=0的前Nx个项,此时我们考虑并集xXVx,显然它构成了X的一个开覆盖,因此由于X是紧致的存在X的一个有限子集S使得xSVx构成了X的一个有限覆盖(于是xSVx=X)。然后此时令有:

N:=max{Nx:xS}

由于{Nx:xS}是有限的,因此N也必然是一个存在的有限整数,从而对任意的nN,对任意的xS根据Nx的定义有:

nNNxx(n)Vx

也即对所有的nN都有x(n)xSVx=X,这和(x(n))n=0X中序列的前提矛盾。于是反证结束,只能有(x(n))n=0必然存在一个收敛的子序列。

13.5.10 证明命题12.2.10在拓扑空间中的下述部分类比:(c)蕴含着(a)和(b),而(a)和(b)是等价的。证明:在习题13.5.7的余可数拓扑空间中,(a)和(b)同时成立,但(c)不成立的情况是有可能发生的

贴一下扩展到拓扑空间后命题12.2.10应该有的样子:

(X,F)是一个拓扑空间,且有EXx0X,那么我们有下面几个命题等价:

  1. x0E的附着点。
  2. x0要么是E的内点,要么是E的边界点。
  3. E中能够找到一个依拓扑F收敛于点x0的序列(xn)n=1

我们先证明(c)蕴含着(a),再证明(a)和(b)是等价的。

(c)蕴含着(a):若在E中能找到一个收敛于x0的序列(xn)n=1,则根据定义对任意x0的邻域V,存在N1使得对任意的nN都有xnVEV。从而根据定义13.5.6我们有x0E的一个附着点,于是便验证了(c)蕴含着(a)。

(a)和(b)是等价的:需要注意到拓扑空间下,内点、外点与边界点存在所谓的“三岐性”(即一个点x0总是恰好是E的内点、外点、边界点中的一种)。若有x0E的附着点,则根据定义13.5.6对任意x0的邻域V都有VE,从而根据定义13.5.5我们只能有x0E的内点或边界点;反过来,如果x0E的内点或边界点,那么x0不是E的外点,从而对任意Vx0的邻域都只能有VE,也即x0E的附着点。综上我们验证了(a)和(b)是等价的。


然后我们去讨论余可数拓扑空间下的一些特殊情况,为了方便讨论,我们假定整个空间是R

由于(a),(b)已经被证明等价了,因此我们只需要寻找一个x0E的附着点但是不存在E中收敛于x0的序列的例子即可。我们考虑点x0=0E=R\Z,一方面E中不应该存在一个收敛于x0的序列,如果存在某个收敛于x0的序列的序列(xn)n=1,则我们考虑x0的邻域V

V:=R\{xn:n1}

(因为x0E,从而对所有n1都有x0xn,因此必然有x0V

显然我们有对任意的n1都有xnV,换言之即(xn)n=1不是符合收敛要求的序列(于是我们用反证证明了(c)不成立)。但是另一方面,对任意x0的邻域V,都应该有VE(否则有VZ是一个至多可数集,那么它就不可能是余可数的,换言之即V不会是余可数拓扑下的一个开集),从而根据定义13.5.6我们知道有x0E的一个附着点(于是我们证明了(a)和(b)同时成立)。

13.5.11 设E是拓扑空间(X,F)的子集。证明:E是开的,当且仅当E中的每一个元素都是E的内点。E是闭的,当且仅当E包含其全体附着点。证明:命题12.2.15(e)~(h)的类比成立(其中某些结论可以由定义直接推出)。如果假设X是一个豪斯道夫空间,证明:命题12.2.15(d)的类比也成立。举例说明,当X不是豪斯道夫空间空间时,(d)是不成立的

贴一下扩展到拓扑空间后命题12.2.15(d)~(e)应该有的样子:

(X,F)是一个拓扑空间,那么我们有:

  1. 任何一个单点集{x0}都是闭的,其中x0X

  2. 如果EX的一个子集,那么E是开的,当且仅当它的补集X\E:={xX:xE}是闭的。

  3. 如果E1,E2,...,EnX中的有限个开集,那么E1E2...En也是开的;如果E1,E2,...,EnX中的有限个闭集,那么E1E2...En也是闭的。

  4. 如果{Eα}αIX中的一簇开集(这里的指标集没有限制,可以是无限的或者有限的),那么并集αIEα也是开的;如果{Eα}αIX中的一簇闭集,那么交集αIEα也是闭的。

  5. 如果EX的任意一个子集,那么int(E)是包含在E中的最大开集。换言之,int(E)是开集,并且对任意给定的其它开集VE均有Vint(E);类似地,E是包含E中的最小闭集。换言之,E是闭集,并且对任意给定的其它闭集KE均有KE


我们先证明第一个结论,即E是开的,当且仅当E中的每一个元素都是E的内点。E是闭的,当且仅当E包含其全体附着点。

E是开集,则对于任意的xE,我们都有EEx的邻域,从而根据定义即有xE的内点;反过来,若对任意的xE都有xE的内点,则根据选择公理,我们可以为每一个xE指定一个VxE是它的邻域。此时考虑集合:

xEVx

显然由于邻域的性质我们有xEVx=E,然后根据拓扑空间的要求我们知道任意数量的开集并集也是开集,从而E也是开集。

于是我们证明了E是开的,当且仅当E中的每一个元素都是E的内点。然后对另一个命题,根据闭集定义有E是闭的当且仅当补集Ec是开的,再根据上面的证明我们知道这当且仅当Ec中的每一个元素都是Ec的内点。然后注意到xEc的内点当且仅当xE的外点。于是综上我们得到了:

E是闭的,当且仅当Ec恰好只包含了E所有的外点。

而由于内点、外点与边界点的“三岐性”,Ec恰好只包含了E所有的外点等价于E包含了自身所有的内点与边界点,再结合习题13.5.10的结论于是即有E是闭的,当且仅当E包含其全体附着点,结论得证。


然后我们证明第二个结论,也就是命题12.2.15(e)~(h)的类比成立。

(e):在拓扑空间中这是定义,不需要证明。

(f):前半部分是拓扑空间的定义,而对于后者,注意到拓扑空间的定义,我们知道X\E1,X\E2,...,X\En都是开集,从而集合:

i=1nX\Ei=X\i=1nEi

也是一个开集,从而根据闭集定义我们有E1E2...En也是闭集。

(g):前半部分同样是拓扑空间的定义,对于后者,类似地考虑到{X\Eα}αI是一簇开集,从而有:

αIX\Eα=X\αIEα

也是一个开集,从而根据闭集定义我们有αIEα也是闭的。

(h):首先我们证明int(E)是一个开集。考虑任意的xint(E),根据内点的定义我们知道存在一个x的邻域Vx满足VxE,特别地,对所有的yVx都有yE的内点,从而我们可以得到Vxint(E),于是此时可以注意到:

xint(E)Vx=int(E)

于是根据拓扑空间的定义,任意数量开集的并也是开集,所以int(E)也是一个开集。并且在上面的证明中我们可以注意到,对任意的开集VE,都有其中任意元素都是E的内点,于是即有Vint(E)。从而我们证明了前半段的内容。

然后对于后半段,注意到xE的内点当且仅当xX\E的外点,且xE的边界点当且仅当xX\E的边界点,结合习题13.5.10的结论,由于E包含了E全部的内点和边界点,因此X\E包含了X\E的所有内点(于是X\E=int(X\E)是一个开集),因此我们有E是一个闭集;另一方面,对任意包含E的闭集W,我们有X\WX\E是一个开集,然后由于X\E=int(X\E)X\E中最大开集,因此我们有X\WX\EWE,得证E是包含E的最小闭集。


最后我们来证明命题12.2.15(d)在豪斯道夫空间下成立,但是在非豪斯道夫空间中某些情况下不成立。

X是一个豪斯道夫空间,则对任意的x0X,对任意的Vx0的邻域都有V{x0}={x0},从而x0{x0}的附着点;另一方面,对所有的xX满足xx0,由于X是豪斯道夫空间因此存在两个开集V,W满足xVx0WVW=。再注意到Vx的邻域与{x0}W,因此这表明存在某个x的邻域V满足V{x0}=,也即x{x0}的外点。于是综合即可得到{x0}包含了自身所有的附着点,再利用上面第一个结论,于是便得证了{x0}是闭的。

另一方面,如果X不是一个豪斯道夫空间,则命题12.2.15(d)并不总是成立,一个简单但是极端的例子就是考虑具有平凡拓扑双元素集{a,b},在习题13.5.4中我们已经阐述过这是一个非豪斯道夫空间,同时根据闭集的定义这个空间中的闭集只有{a,b}{a}{b}都不是这个空间下的开集或者闭集。

13.5.12 证明:定义13.5.7中的序对(Y,FY)确实是一个拓扑空间

于是即要证明:

  • 空集与整个集合本身Y都是开集,也即FYYFY

    注意到由于(X,F)是拓扑空间,因此有FYF,然后根据FY的定义有Y=FYXY=YFY

  • 任意有限多个开集的交都是开集,也即若有V1,...,Vn都是FY中的元素,那么V1...Vn也属于FY

    根据FY的定义我们知道分别存在开集W1,...,WnF使得Vi=WiX对所有的1in。然后注意到:

    V1...Vn=(W1E)...(WnE)=Y(W1...Wn)

    由于(X,F)是拓扑空间,因此W1...WnF,然后根据FY的定义有V1...VnFY

  • 任意多个(包括无限个)开集的并都是开集,也即若有(Vα)αIFY中的一簇集合,那么αIVα也属于FY

    根据FY的定义我们知道存在F中开集簇(Wα)αI使得Vα=WαX对所有的αI。然后注意到:

    αIVα=αI(YWα)=YαIWα

    由于(X,F)是拓扑空间,因此αIWαF,然后根据FY的定义有αIVαFY

于是结论得证。

13.5.13 把推论12.5.9推广到豪斯道夫空间中的紧致集合上

我们先给出推广后的结论:

(X,F)是一个豪斯道夫空间,并设K1,K2,K3,...是由X的非空紧致子集组成的序列,并且满足

K1K2K3...

那么交集n=1Kn是非空的。

下面给出证明。


本题结论的证明需要用到习题13.5.14的一些结论。

由于(X,F)是一个豪斯道夫空间,且K1X的紧致子集,因此根据习题13.5.14的结论我们知道对所有的i>1都有Ki是闭的,即如果我们考虑拓扑子空间(K1,FK1)为背景,则对所有的i>1都有K1\Ki是开的。

于是使用反证法,我们设交集交集n=1Kn是空集。从而它关于K1的补集:

K1\n=1Kn=n=2(K1\Kn)=K1

(默认去除掉K1\K1=这个对并集没有任何建设意义的成员)

结合上面的结论,即集簇(K1\Ki)i>1构成了(K1,FK1)的一个开覆盖,再根据K1的紧致性可知存在一个有限子覆盖(K1\Ki)iS,由于S是自然数集的有限子集因此它必然存在最大元素n,再结合关系K1K2K3...不难得到:

iS(K1\Ki)=K1\Kn=K1Kn=

这与所有的i1都有Ki非空的前提矛盾,从而反证假设不成立,只能有交集n=1Kn是非空的。

13.5.14 把定理12.5.10推广到豪斯道夫空间中的紧致集合上

我们先给出推广后的结论:

(X,F)是一个豪斯道夫空间,那么有:

  1. 如果YX的紧致子集,并且ZY,那么Z是紧致的,当且仅当Z是闭的。
  2. 如果Y1,...,Yn是由X的紧致子集组成的一个有限集簇,那么它们的并集Y1...Yn也是紧致的。
  3. X的任意一个有限子集(包括空集)都是紧致的。

下面逐条给出证明。


  1. 如果YX的紧致子集,并且ZY,那么Z是紧致的,当且仅当Z是闭的。

Z是闭集,则此时Y\Z是一个开集。于是考虑任意一个拓扑子空间(Z,FZ)中的集簇(Vα)αIZ的一个开覆盖,根据导出拓扑的定义我们知道拓扑子空间(Y,FY)中存在开集簇(Wα)αI满足Vα=WαZ对所有的αI成立。此时可以注意到:

Y=Z(Y\Z)=(Y\Z)αIVα(Y\Z)αIWαY(Y\Z)αIWα=Y

(最后一个包含关系需要注意到所有的WαY\Z都是Y的子集)

于是集簇(Wα)αI{Y\Z}Y的一个开覆盖,此时由于Y是紧致的我们知道存在存在一个有限子覆盖S,特别地,应该有集合:

I:={αI:WαS}

I的一个有限子集,由于S已经是Y的一个覆盖,因此无论S包含或是不包含Y\Z都应该有(Wα)αIZ的一个覆盖,从而即:

ZαIWαZαIVα=αI(ZWα)

从而即Z的开覆盖(Vα)αI存在一个有限子覆盖(Vα)αI,这表明Z是紧致的。

反过来,若Z是紧致的,则使用反证法。我们假设Z不是一个闭集,那么Z至少存在一个不属于自身的附着点z,此时根据豪斯道夫空间空间的性质我们知道对所有的xZ都存在开集Vx,Wx满足xVxzWxVxWx=。此时我们考虑集簇(Vx)xZ,它显然是Z的一个开覆盖,于是根据Z的紧致性我们知道存在(Vx)xZ的一个有限子覆盖(Vx)xS。此时考虑令有:

W:=xSWx

由于拓扑空间要求有限个开集的交集是开集,因此W显然是z的一个邻域,并且注意到W有:

WZWxSVx=

从而根据外点定义这表明z是一个外点,同z是不属于Z的附着点前提导出了矛盾,于是反证假设不成立,只能有Z是一个闭集。


  1. 如果Y1,...,Yn是由X的紧致子集组成的一个有限集簇,那么它们的并集Y1...Yn也是紧致的。

考虑集簇(Vα)αIY1...Yn的一个开覆盖。相应的,它同时也是所有Yi(1in)的开覆盖,由于Y1,...,Yn都是紧致的,因此对应地存在nI的有限子集Si(1in)使得:

YiαSiVα

此时我们注意到集合S:=S1...Sn也是I的一个有限子集,并且满足

Y1...YnαSVα

从而即(Vα)αI存在一个有限子覆盖(Vα)αS,于是我们得证了Y1...Yn也是紧致的。


  1. X的任意一个有限子集(包括空集)都是紧致的。

根据集合的基本知识我们知道如果一个集合S是有限的且基数为#(S),那么它的全体子集构成的幂集2S也是有限的且基数为2#(S)。根据拓扑空间的定义我们知道任取X的一个有限子集S,则拓扑子空间的开集簇FS必然是2S的子集,而任取的S的开覆盖(Vα)αI又必然FS的子集,从而(Vα)αI本身就是一个有限覆盖(自然也就是子集的有限子覆盖),于是根据紧致集的定义即有S是紧的,结论得证。

13.5.15 设(X,dX)(Y,dY)是两个度量空间(从而也是拓扑空间)。证明:定义13.1.1和定义13.5.8中函数f:XY的连续性概念(在一点处的连续概念以及在整个定义域上的连续概念)是一致的

两个在定义域上连续的定义都是在所有点上连续,因此我们只需要验证在一点上的连续概念一致就自然验证了在整个定义域上的连续概念一致。于是考虑任意的x0X

f是定义13.1.1下在x0处连续的函数,则考虑任意f(x0)的邻域V,由于V是开集因此根据度量空间的要求可知存在一个足够小的度量球B(Y,dY)(f(x0),ε)Vε>0),然后根据定义13.1.1的要求可知存在δ>0使得对所有的xX满足dX(x,x0)<δ都有dY(f(x),f(x0))<ε。然后注意到:

xXdX(x,x0)<δxB(X,dX)(x0,δ)f(x)XdY(f(x),f(x0))<εf(x)B(Y,dY)(f(x0),ε)

且所有度量球在度量空间下都是开集,于是上面的结论即说明存在x0的邻域B(X,dX)(x0,δ)X满足f(B(X,dX)(x0,δ))V,也即f是定义13.5.8下在x0处连续的函数。

f是定义13.5.8下在x0处连续的函数,则对所有的ε>0,由于度量球B(Y,dY)(f(x0),ε)f(x0)的一个邻域,因此根据定义13.5.8的要求可知存在某个x0的邻域U满足f(U)B(Y,dY)(f(x0),ε)。再注意到由于U是开集,因此根据度量空间开集的要求可知存在某个δ>0使得B(X,dX)(x0,δ)U。从而此时有f(B(X,dX)(x0,δ))B(Y,dY)(f(x0),ε),即对所有的xX满足dX(x,x0)<δ都有f(x)满足dY(f(x),f(x0))<ε,从而f是定义13.1.1下在x0处连续的函数。

综上,于是结论得证。

13.5.16 证明:如果把定理13.1.4推广到拓扑空间,那么(a)就蕴含了(b)(逆命题不成立,但构造一个反例并不容易);证明:如果把定理13.1.5推广到拓扑空间,那么(a)、(c)、(d)三者是等价的,它们都蕴含着(b)(同样,逆向的蕴含关系不成立,但想证明这一点比较困难)

我们先给出推广后的命题:

  1. (13.1.4)设(X,FX)(Y,FY)是两个拓扑空间,f:XY是函数,并设x0XX中的一点。那么下面三个命题在逻辑上是等价的:

    1. fx0处是连续的。
    2. 如果(x(n))n=1X中依拓扑FX收敛于x0的序列,那么序列(f(x(n)))n=1就依拓扑FY收敛于f(x0)
    3. 对于任意f(x0)的邻域V,都存在一个x0的邻域U使得f(U)V
  2. (13.1.5)设(X,FX)(Y,FY)是两个拓扑空间,并设f:XY是一个函数。那么下面四个命题在逻辑上是等价的:

    1. f是连续的。
    2. 只要(x(n))n=1X中依拓扑FX收敛于某个点x0X的序列,那么序列(f(x(n)))n=1就依拓扑FY收敛于f(x0)
    3. 如果VY中的开集,那么集合f1(V)就是X中的开集。
    4. 如果FY中的闭集,那么集合f1(F)就是X中的闭集。

下面给出证明。


定理13.1.4(a),(c)等价这个是拓扑空间里的定义就没必要阐述了。我们来证明(a)蕴含着(b)。

考虑f(x0)的任意一个邻域V,由于f是在x0处连续的因此存在某个x0的邻域U满足f(U)V,然后由于(x(n))n=1X中依拓扑FX收敛于x0的序列,因此存在N1使得对任意的nN都有x(n)U,从而有f(x(n))f(U)V。于是综上即:

f(x0)的任意一个邻域V,存在N1使得对任意的nN都有f(x(n))V

(f(x(n)))n=1依拓扑FY收敛于f(x0)(定义13.5.4)。


定理13.1.5里面的(a)蕴含着(b)在已经证明了定理13.1.4的情况下就很简单了,只需要将特殊点x0应用到空间中每一个点就行。所以为了完成题目证明我们只需要证明(a),(c),(d)是等价的。分两步进行,一个是(a)等价于(c),另一个是(c)等价于(d)。

首先证明(a)等价于(c)。

若有f是连续的,则考虑任意VY中的开集。对所有的xf1(V)都有f(x)V,然后根据连续性的要求我们知道存在x的邻域Ux使得f(Ux)V成立。特别地,Ux应该是f1(V)的子集(因为对所有的xUx都有f(x)Vxf1(V)),从而我们可以得到:

f1(V)=xf1(V)Ux

从而根据拓扑空间的定义,我们知道任意个开集的并也是一个开集,从而得证f1(V)是开集。

反过来,若有对所有VY中的开集都有f1(V)X中的开集,则对任意的x0X,考虑任意f(x0)的邻域V。根据前提我们知道有f1(V)X中的开集,并且显然有x0f1(V),从而f1(V)也是x0的一个邻域。然后注意到必然有f(f1(V))V(参见习题3.4.2),从而我们得证了对所有f(x0)的邻域V都存在一个x0的邻域f1(V)满足f(f1(V))V,也即f在任意的x0X处连续的。从而f是连续的。

然后证明(c)等价于(d)。

我们注意到对任意的FY与它关于Y的补集Fc有:

f1(F)={xX:f(x)F}f1(Fc)={xX:f(x)F}

于是可以引申得到f1(F)f1(Fc)=f1(F)f1(Fc)=X,也即f1(Fc)f1(F)关于X的补集。

从而若有对所有VY中的开集都有f1(V)X中的开集,则对任意FY中的闭集都有补集FcY中开集,进而有f1(Fc)X中的开集,于是f1(F)X中的闭集;反之若有对所有FY中的闭集都有f1(F)X中的闭集,则对任意VY中的开集都有补集VcY中闭集,进而有f1(Vc)X中的闭集,于是f1(V)X中的开集。于是便证明了(c)等价于(d)。

综上,于是结论得证。

13.5.17 把定理13.3.1命题13.3.2推广到拓扑空间中的紧致集合上

我们先给出推广后的命题:

  1. (13.3.1)设f:XY是从拓扑空间(X,FX)到另一个拓扑空间(Y,FY)的连续映射,并设KXX的任意一个紧致子集。那么K的象f(K)也是紧致的。

  2. (13.3.2)设(X,FX)是一个紧致拓扑空间,并设f:XR是一个连续函数,那么f是有界的。更进一步的,f在某个点xmaxX处达到最大值,并且在某个点xminX处达到最小值。

下面给出证明。


先证明定理13.3.1。

考虑f(K)的任意一个开覆盖(Vα)αI。由于f是一个连续函数,因此对所有的αI我们有f1(Vα)是一个开集(习题13.5.16)。并且可以注意到对所有的xK,由于f(x)f(K)(Vα)αIf(K)的一个开覆盖,因此必然存在一个αI使得xf1(Vα),这表明有:

KαIf1(Vα)

(f1(Vα))αIK的一个开覆盖,从而由于K是紧致的存在(f1(Vα))αI的一个有限子覆盖(f1(Vα))αS。然后注意到对所有的yf(K),它必然存在某个xK使得f(x)=y,而由于(f1(Vα))αSX的覆盖我们知道存在βS使得xf1(Vβ),也就是说有y=f(x)Vβ。因此这表明对所有的yf(K)都因该存在一个βS满足yVβ,从而即:

f(K)αSVα

也即(Vα)αSf(K)的一个开覆盖,又因为S是有限的因此这表明(Vα)αI存在一个有限子覆盖,于是我们证明了f(K)是紧致的。

然后证明定理13.3.2。

根据定理13.3.1我们可以得知有f(X)R的紧致子集(序拓扑下),而在习题13.5.5中我们已经证明了拥有序拓扑的实直线R与标准度量生成的度量空间R是等价的,从而根据海涅-博雷尔定理(定理12.5.7)我们知道f(X)必然是有界闭集(于是有界性得证)。然后令M:=supxXf(x)m:=infxXf(x)。根据上确界与下确界的性质它们必然是f(X)的附着点,从而由于f(X)是闭集因此必然有mf(X)Mf(X),换言之即f在某个点xmaxX处达到最大值M,并且在某个点xminX处达到最小值m


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实分析 12.1 定义和例子

实分析 12.2 度量空间中的一些点集拓扑知识

实分析 12.3 相对拓扑

实分析 12.5 紧致度量空间

实分析 13.1 连续函数

实分析 13.3 连续性与紧致性

实分析 13.4 连续性与连通性