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) 设 是一个非空集合, 是 的子集族。如果 满足:
- 中任意多个集合的并集仍在 中
- 中有限个集合的交集仍在 中
则称 为 上的一个拓扑, 称为拓扑空间。
基本例子
例 1.1.1(离散拓扑) 设 ,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) 设 ,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) 设 是拓扑空间,。如果 是开集,则称 为闭集。
开集与闭集的性质
定理 1.2.1 设 是拓扑空间,则:
- 和 既是开集又是闭集
- 任意多个开集的并是开集
- 有限个开集的交是开集
- 任意多个闭集的交是闭集
- 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) 设 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) 设 是点 的所有邻域构成的集合族,则:
- ,且对任意 有
- 若 ,则
- 若 且 ,则
- 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 设 是拓扑空间,,:
- 如果存在 的邻域 使得 ,则称 为 的内点
- 如果 的每个邻域都与 和 都有非空交集,则称 为 的界点
- 如果存在 的邻域 使得 ,则称 为 的外点
闭包与内部
定义 1.4.2
- 的内部 是 的所有内点构成的集合
- 的闭包 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: 设 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:
设 是 的邻域,则存在开集 使得 。 由于 是开集且 ,所以 。 因此 ,即 。
设 ,则 是 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 是 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 是 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 是 的邻域。 但 ,矛盾。
1.6 练习题
练习 1.1 设 ,。 验证 是 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:
- ✓
- 任意并:所有可能的并集都在 中 ✓
- 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: 设 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 设 是拓扑空间 的子集。证明:
💡 提示
证明两个包含关系: 和 。利用闭包的定义和性质。
📝 答案
证明:
第一个包含关系:
设 ,则 的每个邻域都与 相交。
对任意邻域 of ,有 。 即 或 。
因此 或 ,所以 。
第二个包含关系:
显然 且 。
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。