拓扑空间、开集、闭集、闭包、聚点、邻域

第一章拓扑空间与拓扑不变量

数学分析中的连续函数的定义与和值域都是欧氏空间（直线、平面或空间）或是其中的一部分。本章将首先把连续函数的定义域和值域的主要特征抽象出来用以定义度量空间，将连续函数的主要特征抽象出来用以定义度量空间的连续映射。然后将两者再度抽象，给出拓扑空间和拓扑空间之间的连续映射。随后逐步提出拓扑空间的一些基本问题如邻域、开集、闭集、闭包、聚点、导集、内部、边界、序列、极限等。进一步引入紧致性、连通性、可数性与分离性等重要的拓扑不变性

§1.1拓扑空间、开集、闭集、聚点、闭包、邻域

一、问题的引入

数学分析里我们知道，在连续函数的定义中只涉及距离这个概念，定义域是一维欧氏空间,即实数空间，两点之间的距离d(x,y)=|x-y|,即两两实数之差的绝对值,定义域是n维欧氏空间，两点x=(x1 ,x2,…，x n),Y=(y1,y2,…，y n) 之间的距离

d(x,y)= 。

无论是几维空间，它的距离都有下面的性质：

1. d(x,y)≥0 , ∀x,y∈n R;

2. d(x,y) = 0 ⇔x = y ;

3. d(x,y) = d(y,x) ∀x,y∈n R;

4. d(x,z) ≤d(x,y) + d(y,z) , ∀x,y,z∈n R; 这些性质反映了距离的特征。

将n R推广为一般的集合，我们由距离可以抽象出度量以及度量空间的定义。（一）度量空间

1.定义

定义1 设X是一个集合，ρ：X×X→R ,如果对于任何x,y,z∈X,有

①（正定性）ρ（x,y）≥0 并且ρ (x,y) = 0 ⇔x = y ；

②（对称性）ρ (x,y) = ρ (y,x) ；

③（三角不等式）ρ (x,z) ≤ρ (x,y) + ρ (y,z)

则称ρ是集合X中的一个度量。

如果 ρ是集合X 中的一个度量，则称偶对（X ，ρ）是一个度量空间，或 径称X 是一个度量空间。而ρ（x,y ）称为从点X 到点Y 的距离。

2. 度量空间举例

例2.1.1 实数空间R

对实数集合，定义ρ：R×R →R 如下：∀x,y ∈R ，令ρ（x,y ）=|x-y| ,易知ρ是R 的一个度量。因此（R,ρ）是一个度量空间。

可见，度量空间是实数空间的推广，度量是距离的推广。

例2.1.1 n 维欧式空间n R

对实数集合R 的n 重笛卡尔积n R =R×R×…×R ，定义ρ：n R ×n R →R 如下：

对任意两点x=(x 1 ,x 2,…，x n ),Y=(y 1,y 2,…，y n ) ∈n R ，令ρ（x,y ）=

可以验证ρ是n R 的一个度量，偶对（n R ，ρ）称为n 维欧氏空间。有时径称n R 为

n 维欧氏空间。n=2时，2R 常称为欧氏平面或平面。

例2.1.2 Hilbert 空间H

记H 是平方收敛的所有实数序列构成的集合，即H={ x=(x 1 ,x 2,…，x n ) | x i ∈R, i ∈Z + , 21i i x

∞=<∞∑ },定义ρ：H×

H →R 如下：对于任意x=(x 1 ,x 2,…，

x n ),Y=(y 1,y 2,…，y n ) ∈H ，令ρ（x,y ）=

。这个定义的合理性及验

<∞以及验证ρ是H 的一个度量，可见P 49 附录。因此（H, ρ）

是一个度量空间，称为Hilbert 空间。

例2.1.3 离散的度量空间

设（X, ρ）是一个度量空间，称（X, ρ）是一个离散的度量空间或称ρ是一

个离散的度量，如果对每一个x ∈X,存在一个实数0x δ>使得ρ（x,y ）>x δ ,对任何y ∈X ，y ≠ x 成立。

如，设X 是一个集合，定义ρ：X×X →R ,使得对于任何x,y ∈X,有

0(,)1x y x y x y ρ=⎧=⎨

≠⎩

若若 , 易知ρ 是X 的一个离散度量，度量空间（X, ρ）是离散的。

思考题 例2.1.5 令X= C ([a,b]) = {f: [a,b]→R |f 在[a,b]上连续}，并且对于任意的f , g ∈C ([a,b]),令d(f,g)= ⎰b

a |f(x)-g(x)|dx , d 是C ([a,b])的度量吗？ （答案： d 是C ([a,b])的度量，因此（C ([a,b])，d ）是一个度量空间）

3. 邻域、开集

⑴ 度量空间的球形邻域及其基本性质

定义2. 设（X, ρ）是一个度量空间，x ∈X, 对于任意的ε>0，

B （x, ε）={y ∈X |ρ（x,y ）< ε} 称为以x 为中心，ε为半径的球形邻域， 也称为x 的一个ε邻域，也记作B ε(x) 。

定理1.0.1 度量空间（X, ρ）的球形邻域具有以下性质：

① 每一点x ∈X 至少有一邻域，并且x 属于它的每一个邻域；

② 对于点x ∈X 的任意两个球形邻域，存在x 的一个球形邻域同时包含于 两者；

③ 如果y ∈X 属于x 的某个球形邻域，则y 有一个球形邻域包含于x 的那个球形邻域。

证明： … …

⑵ 度量空间的开集及其基本性质

定义3. 设X 是一个度量空间，A ⊂X ，如果,0a A ε∀∈∃>都，使B(a, ε) ⊂X ，则称A 是X 的一个开集。

由定理2.1.1的③知，X 的球形邻域都是开集。

例2.1.7 实数空间R中的开区间都是开集，而半开半闭区间、闭区间都不是开集。两个开区间的并也是开集。

可见，度量空间的开集是实数空间开区间的推广。

定理1.0.2 度量空间X的开集具有以下性质：

①集合X本身和空集Ф都是开集；

②任何两个开集的交是开集；

③任何一个开集族的并是开集。

证……

推论U是度量空间的开集的充分必要条件是U是这个空间中若干个球形邻域的并。

⑶度量空间中点x的邻域---球形邻域的推广

定义4. 设X是一个度量空间，x∈X,U⊂X，如果存在开集V使x∈V⊂U，则称U是x的一个邻域。

注：有定义可知，开集V是它的每一点的邻域，但邻域却不一定是开集。如[0，2]是1 的邻域，但它不是开集。

定理1.0.3 设X是一个度量空间，x∈X,U⊂X，则U是x的一个邻域⇔存在B(x,ε)⊂U。

证明：……

本定理为邻域提供了一个等价说法。

推论 X是一个度量空间， U⊂X，则U是X的一个开集⇔U是其内每一点的邻域。

证由定义2.1.3和定理2.1.3 。

（二）度量空间之间的连续映射

定义5 设X和Y是两个度量空间，f：X→Y，以及x0∈X，如果对于f (x0)的任何一个球形邻域B(f(x0),ε)，存在x0的某一个球形邻域B(x0，δ)使得f (B(x0，δ))⊂B(f(x0),ε)，则称映射f在x0处是连续的。