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第一章:拓扑基础

拓扑学是现代数学的基础,它研究的是空间的"形状"特性,这些特性在连续变形下保持不变。在这一章中,我们将从最基本的概念开始,逐步建立起拓扑学的理论框架。

1.1 拓扑空间的定义

概念理解

想象你正在研究一个集合 ,你想要定义什么叫做"靠近"或"连续"。拓扑就是实现这个目标的工具。

直观理解

拓扑可以类比为一个"透镜",通过它我们可以看到集合中点与点之间的"亲密关系"。有些点聚成一团,有些点孤立存在。

定义 1.1.1(拓扑空间) 是一个非空集合, 的子集族。如果 满足:

  1. 中任意多个集合的并集仍在
  2. 中有限个集合的交集仍在

则称 上的一个拓扑 称为拓扑空间

基本例子

例 1.1.1(离散拓扑),令 的所有子集构成的集合族)。

这是离散拓扑,在这个拓扑下,每个点都是"孤立"的。

例 1.1.2(平凡拓扑),令

这是平凡拓扑,在这个拓扑下,我们无法区分不同的点。

例 1.1.3(实数的标准拓扑) 在实数集 上,标准拓扑由所有开区间 的任意并集生成。

1.2 开集与闭集

开集的概念

在拓扑空间 中, 中的元素称为开集

几何直观

在实数轴上,开区间 是开集,因为对于区间内的任意一点,我们总能找到一个足够小的邻域完全包含在这个区间内。而闭区间 不是开集,因为端点处无法找到这样的邻域。

闭集的定义

定义 1.2.1(闭集) 是拓扑空间,。如果 是开集,则称 闭集

开集与闭集的性质

定理 1.2.1 是拓扑空间,则:

  1. 既是开集又是闭集
  2. 任意多个开集的并是开集
  3. 有限个开集的交是开集
  4. 任意多个闭集的交是闭集
  5. 有限个闭集的并是闭集

1.3 邻域系统

邻域的定义

定义 1.3.1(邻域) 是拓扑空间,。如果存在开集 使得 ,则称 是点 的一个邻域

注意

邻域本身不一定是开集!邻域只需要包含点 的某个开邻域即可。

邻域系统的性质

定理 1.3.1(邻域系统的性质) 是点 的所有邻域构成的集合族,则:

  1. ,且对任意
  2. ,则
  3. ,则
  4. 对任意 ,存在 使得对所有 都有

1.4 重要概念补充

内点、界点、外点

定义 1.4.1 是拓扑空间,

  • 如果存在 的邻域 使得 ,则称 内点
  • 如果 的每个邻域都与 都有非空交集,则称 界点
  • 如果存在 的邻域 使得 ,则称 外点

闭包与内部

定义 1.4.2

  • 内部 的所有内点构成的集合
  • 闭包 是包含 的最小闭集

1.5 经典例题与证明

例题1:开集性质的证明

例题 1.5.1 证明:在拓扑空间中,任意多个开集的并集是开集。

证明: 是拓扑空间, 是开集族。

根据拓扑的定义, 对任意并运算封闭,因此:

即任意多个开集的并集是开集。

例题2:邻域系统的刻画

例题 1.5.2 证明: 是点 的邻域当且仅当

证明:

的邻域,则存在开集 使得 。 由于 是开集且 ,所以 。 因此 ,即

,则 的内点。 根据内点的定义,存在 的邻域 使得 。 由邻域定义,存在开集 使得 。 因此 的邻域。

例题3:闭包的等价刻画

例题 1.5.3 证明: 当且仅当 的每个邻域都与 有非空交集。

证明:

反证法。设 但存在 的邻域 使得 。 则 。由于 的邻域,存在开集 使得 。 因此 ,而 是闭集。 这说明 是包含 的闭集,但 ,这与 是包含 的最小闭集矛盾。

反证法。设 的每个邻域都与 有非空交集,但 。 由于 是闭集, 是开集。 因为 ,所以 的邻域。 但 ,矛盾。

1.6 练习题

练习 1.1。 验证 上的拓扑,并确定所有闭集。

💡 提示

检查拓扑的三个条件:(1) 包含空集和全集;(2) 任意并封闭;(3) 有限交封闭。然后利用闭集是开集的补集这一性质。

📝 答案

验证拓扑性质:

  1. 任意并:所有可能的并集都在 中 ✓
  2. 有限交:检查所有有限交集都在 中 ✓

闭集:

  • (闭集)
  • (闭集)
  • (闭集)
  • (闭集)
  • (闭集)

所以闭集为:

练习 1.2 证明:在任意拓扑空间中,有限集的内部为空集。

💡 提示

反证法:假设有限集 的内部非空,则存在非空开集包含在 中。考虑这与有限集的性质的矛盾。

📝 答案

证明: 是有限集,假设

则存在 ,即存在开集 使得

由于 是开集且 ,而 是有限集,这在无穷拓扑空间中导致矛盾(开集通常"较大")。

更严格地:在不平凡的拓扑空间中,包含某点的最小开集通常包含无穷多个点,与有限集矛盾。

特别地,在度量空间中,任何开球都包含无穷多个点。

练习 1.3 是拓扑空间 的子集。证明:

💡 提示

证明两个包含关系:。利用闭包的定义和性质。

📝 答案

证明:

第一个包含关系:

,则 的每个邻域都与 相交。

对任意邻域 of ,有 。 即

因此 ,所以

第二个包含关系:

显然

由于闭包算子的单调性:

因此

综合两个包含关系,得到等式成立。□

小结

本章介绍了拓扑学的基础概念:

  • 拓扑空间:为集合赋予"连续性"结构的数学框架
  • 开集与闭集:描述集合"开放性"和"封闭性"的概念
  • 邻域系统:刻画点的"局部性质"的工具
  • 内部与闭包:描述集合"内在"和"包围"特性的算子

这些概念为后续学习度量空间、收敛性等更深入的内容奠定了坚实的基础。理解这些基本概念的几何直观和逻辑关系是掌握现代分析的关键。