泛函分析

点集拓扑学拓扑是英文Topology 的译音，Topology 一词有时是指拓扑，有时是指研究有关拓扑的整个学科. 第一个使用此名称的是姜立夫（1890—1978. 1911年赴美，1918年获哈佛大学博士学位，留校任教，后回国，1920年南开大学教授，1934—1936在德国访问，后一直在中山大学任教. 他培养了陈省身等世界著名数学家.）. 而topology是由希腊语topos（位置）和logos（学问）合成. 发明此词的是德国人Listing（1828—1882，Gauss的学生和助手），即表示形状和位置关系的数学（位置分析）.拓扑学是新三基之一（泛函分析、近世代数、拓扑学）. （旧三基：数学分析、高等代数、解析几何）.拓扑学是一门综合学科（即包含有分析、代数和几何的内容）.分析：分析中有三大问题：1）连续性；2）介值定理；3）有限覆盖定理. 在拓扑学中将1）连续性推广到一般集合；2）是连通集的特性；3) 推广为紧致性.代数：在拓扑学有很多代数概念，如群、同态、同构等.几何：以前称拓扑学为橡皮（弹性）几何学.按德国数学家Klein（1849—1925）关于几何分类的变换群观点知：欧氏几何是研究图形在刚体运动下不变的性质（或量）的数学（图形大小和形状不变）.解析几何是研究图形在坐标变换下不变的性质（或量）的数学.仿射几何是研究图形在仿射变换下不变的性质（或量）的数学.射影几何是研究图形在射影变换下不变的性质（或量）的数学.而拓扑学是研究拓扑空间及其子集在拓扑变换（同胚变换）下不变的性质（或量）的数学.故拓扑学属几何范畴（橡皮膜上的几何）.拓扑学是数学的一个重要分支. 起初它是几何学的一个分支，研究几何图形在连续变形上保持不变的性质，后来发展为研究连续性现象的数学分支. 拓扑学发展到近代形成了互相联系的几个分支. 即一般拓扑学、代数拓扑学、微分拓扑学、几何拓扑学、直观拓扑学和模糊拓扑学等. 目前，拓扑学的概念、理论和方法已经广泛地渗透到现代数学以及邻近科学的许多领域中，并且有了日益重要的应用.拓扑学对近代数学的学习起着很大的作用，有人甚至说：“不懂得拓扑，就不懂得现代数学”.研究拓扑空间的自身结构与其间的连续映射的学科，称为一般拓扑学，也称为点集拓扑学，或基础拓扑学. 它是拓扑学的基础. 本课程介绍一般拓扑学的基本内容，并为进一步学习有关其它课程提供必要的基础知识.第 0章拓扑学的直观例子§0.1 七座问题18世纪时，欧洲有一个风景秀丽的小城哥尼斯堡，那里有七座桥.如图1所示：河中的小岛A与河的对岸B、C各有两座桥相连结，河中两支流间的陆地D与A、B、C各有一座桥相连结.当时哥尼斯堡的居民中流传着一道难题：一个人怎样才能一次走遍七座桥，每座桥只走过一次，最后回到出发点？大家都试图找出问题的答案，但是谁也解决不了这个问题（有7！=5040种走法）. 此七桥问题引起了著名数学家欧拉（1707—1783）的关注. 1736年，欧拉在圣彼得堡科学院作了一次学术报告. 在报告中，他把具体七桥布局化归为图1所示的简单图形，于是，七桥问题就变成一个一笔画问题：怎样才能从A、B、C、D中的某一点出发，一笔画出这个简单图形（即笔不离开纸，而且a、b、c、d、e、f、g各条线只画一次不准重复），并且最后返回起点？欧拉经过研究得出的结论是：图1是不能一笔画出的图形.这就是说，七桥问题是无解的. 虽然使人们感到失望，但由此创立了一门新的数学分支—拓扑学.著名数学家欧拉图1§0.2 网络的一笔画问题定义由有限个点和有限条线组成的图形叫做网络，其中每条线都要求有两个不同的端点.这些线叫做网络的弧，弧的端点叫做网络的顶点.由顶点出发的弧的条数叫做此顶点的次数，若一顶点次数为偶数或奇数，则称此顶点为偶顶点或奇顶点. 网络中互相衔结的一串弧叫做一条路.如果网络中任意两个顶点都可以用一条路连结起来，那么就称这个网络为连通的；否则称为不连通的.可以证明定理1在任一网络中奇顶点个数之和必为偶数.定理2 任一网络若有两个以上的奇顶点，则不能一笔画成.定理3 若一连通网络没有奇顶点，则可由任一点任一弧开始一笔画成.定理4若一连通网络有两个奇顶点，则它可被从某一奇顶点出发到另一奇顶点终止一笔画成.注1）定理2否定了七桥问题可一次走完.2）现在在B,D之间加了一座桥，那么八桥一次走完就可能了. 又在B,C之间加了一座铁路桥，九桥问题又如何？3）如图：§0.3 平面网络的Euler公式Euler定理在连通平面网络中，若顶点数，边数和网络分平面所得的区域数（即面数）分别为,,V E F. 则有Euler公式-+=.V E F2§0.4 凸多面体的Euler公式这是Euler在1750年写信给好友Goldbach(德1690-1764)时提出来的，并于1752年发表了一个证明.即Euler定理若一凸多面体的顶点数，棱数和面数分别为V E F，则有Euler公式2,,V E F-+称为多面体的-+=.其中V E FEuler示性数（或Euler特征数）.§0.5 正多面体定义 若一凸多面体的各面都是全等的正多边形，且所有多面角都相等，则这样的凸多面体称为正多面体（或正多面形、或柏拉图（Platonic) 多面体）.有些化学元素的结晶体呈正多面体的形状，如食盐的结晶体是正六面体，明矾的结晶体是正八面体.定理 有且只有五种正多面体.即只有正4，6，8，12，20多面体，证明 设正多面体顶点数，棱数和面数分别为,,V E F ，且正多面体的每个面是正n 边形，每个顶点有m 条棱. 棱数E 应是面数F 与n 的积的一半（每两面共用一条棱），即2nF E =（1）同时，E 应是顶点数V 与m 的积的一半，即2m V E =（2）由（1）、（2）得2E F n =，2E V m =代入欧拉公式2V E F -+=，得222E E E m n+-=，即11112m n E +=+，由于E 是正整数，所以10E >. 故1112m n +> （3）说明,m n 不能同时大于3，否则（3）不成立。

另一方面，由于m 和n 的意义（正多面体一个顶点处的棱数与多边形的边数）知，3m ≥且3n ≥.因此m 和n 至少有一个等于3当3m =时，因为1111236n >-=，n 又是正整数，所以n 只能是3，4，5同理n=3时，m 也只能是3，4，5 .所以有以下几种情况：亦即由于上述5种多面体确实可以用几何方法作出，而不可能有其他种类的正多面体.所以正多面体只有5种.相同表面积的四面体、六面体、正十二面体、以及正二十面体，其中体积最大的是：正二十面体.柏拉图（Platonic) 多面体对偶性把一个正多面体每个面的中心连起来,可以得到一个新的多面体.如果原来是正六面体，那么得到的是正八面体;如果原来是正八面体,那么得到的是正六面体.把这一性质称为正六面体与正八面体对偶.正十二面体与正二十面体对偶.而正四面体则与自己对偶.§0.6 地图的四色问题四色猜想的提出来自英国.1852年，毕业于伦敦大学的弗南西斯·格思里来到一家科研单位搞地图着色工作时，发现了一种有趣的现象：“每幅地图都可以用四种颜色着色，使得有共同边界的国家都被着上不同的颜色.”这个现象能不能从数学上加以严格证明呢？他和在大学读书的弟弟格里斯决心试一试.兄弟二人为证明这一问题而使用的稿纸已经堆了一大叠，可是研究工作没有进展.1852年10月23日，他的弟弟就这个问题的证明请教了他的老师、著名数学家德·摩尔根(De.Morgen1806o1871)，摩尔根也没有能找到解决这个问题的途径，于是写信向自己的好友、著名数学家汉密尔顿(Hamilton1805-1865)爵士请教.汉密尔顿接到摩尔根的信后，对四色问题进行论证.但直到1865年汉密尔顿逝世为止，问题也没有能够解决.1872年，英国当时最著名的数学家凯利(Cayley1821-1895)正式向伦敦数学学会提出了这个问题，于是四色猜想成了世界数学界关注的问题.世界上许多一流的数学家都纷纷参加了四色猜想的大会战.1878～1880年两年间，著名的律师兼数学家肯普(Alfred Kempe)和泰勒(Peter Guthrie Tait)两人分别提交了证明四色猜想的论文，宣布证明了四色定理，大家都认为四色猜想从此也就解决了.肯普的证明是这样的：首先指出如果没有一个国家包围其他国家，或没有三个以上的国家相遇于一点，这种地图就说是“正规的”（左图）.如为正规地图，否则为非正规地图（右图）.一张地图往往是由正规地图和非正规地图联系在一起，但非正规地图所需颜色种数一般不超过正规地图所需的颜色，如果有一张需要五种颜色的地图，那就是指它的正规地图是五色的，要证明四色猜想成立，只要证明不存在一张正规五色地图就足够了.肯普是用归谬法来证明的，大意是如果有一张正规的五色地图，就会存在一张国数最少的“极小正规五色地图”，如果极小正规五色地图中有一个国家的邻国数少于六个，就会存在一张国数较少的正规地图仍为五色的，这样一来就不会有极小五色地图的国数，也就不存在正规五色地图了.这样肯普就认为他已经证明了“四色问题”，但是后来人们发现他错了.不过肯普的证明阐明了两个重要的概念，对以后问题的解决提供了途径.第一个概念是“构形”.他证明了在每一张正规地图中至少有一国具有两个、三个、四个或五个邻国，不存在每个国家都有六个或更多个邻国的正规地图，也就是说，由两个邻国，三个邻国、四个或五个邻国组成的一组“构形”是不可避免的，每张地图至少含有这四种构形中的一个.肯普提出的另一个概念是“可约”性.“可约”这个词的使用是来自肯普的论证.他证明了只要五色地图中有一国具有四个邻国，就会有国数减少的五色地图.自从引入“构形”，“可约”概念后，逐步发展了检查构形以决定是否可约的一些标准方法，能够寻求可约构形的不可避免组，是证明“四色问题”的重要依据.但要证明大的构形可约，需要检查大量的细节，这是相当复杂的.11年后，即1890年，在牛津大学就读的年仅29岁的赫伍德(Heawood)以自己的精确计算指出了肯普在证明上的漏洞.他指出肯普说没有极小五色地图能有一国具有五个邻国的理由有破绽.不久，泰勒的证明也被人们否定了.人们发现他们实际上证明了一个较弱的命题——五色定理.就是说对地图着色，用五种颜色就够了.后来，越来越多的数学家虽然对此绞尽脑汁，但一无所获.于是，人们开始认识到，这个貌似容易的题目，其实是一个可与费马猜想相媲美的难题.进入20世纪以来，科学家们对四色猜想的证明基本上是按照肯普的想法在进行.1913年，美国著名数学家、哈佛大学的伯克霍夫利用肯普的想法，结合自己新的设想；证明了某些大的构形可约.后来美国数学家富兰克林于1939年证明了22国以下的地图都可以用四色着色.1950年，有人从22国推进到35国.1960年，有人又证明了39国以下的地图可以只用四种颜色着色；随后又推进到了50国.看来这种推进仍然十分缓慢.高速数字计算机的发明，促使更多数学家对“四色问题”的研究.从1936年就开始研究四色猜想的海克，公开宣称四色猜想可用寻找可约图形的不可避免组来证明.他的学生丢雷写了一个计算程序，海克不仅能用这程序产生的数据来证明构形可约，而且描绘可约构形的方法是从改造地图成为数学上称为“对偶”形着手.他把每个国家的首都标出来，然后把相邻国家的首都用一条越过边界的铁路连接起来，除首都(称为顶点)及铁路(称为弧或边)外，擦掉其他所有的线，剩下的称为原图的对偶图.到了六十年代后期，海克引进一个类似于在电网络中移动电荷的方法来求构形的不可避免组.在海克的研究中第一次以颇不成熟的形式出现的“放电法”，这对以后关于不可避免组的研究是个关键，也是证明四色定理的中心要素.电子计算机问世以后，由于演算速度迅速提高，加之人机对话的出现，大大加快了对四色猜想证明的进程.美国伊利诺大学哈肯(Haken)在1970年着手改进“放电过程”，后与阿佩尔(Appel)合作编制一个很好的程序.就在1976年6月，他们在美国伊利诺斯大学的两台不同的电子计算机上，用了1200个小时，作了100亿判断，终于完成了四色定理的证明，轰动了世界.这是一百多年来吸引许多数学家与数学爱好者的大事，当两位数学家将他们的研究成果发表的时候，当地的邮局在当天发出的所有邮件上都加盖了“四色足够”的特制邮戳，以庆祝这一难题获得解决.“四色问题”的被证明仅解决了一个历时100多年的难题，而且成为数学史上一系列新思维的起点.在“四色问题”的研究过程中，不少新的数学理论随之产生，也发展了很多数学计算技巧.如将地图的着色问题化为图论问题，丰富了图论的内容.不仅如此，“四色问题”在有效地设计航空班机日程表，设计计算机的编码程序上都起到了推动作用.不过不少数学家并不满足于计算机取得的成就，他们认为应该有一种简捷明快的书面证明方法.直到现在，仍由不少数学家和数学爱好者在寻找更简洁的证明方法.对此，哈肯和阿佩尔充满信心，他们说：“人们永远不能排除这样的可能：四色问题的一个简短证明有朝一日会被出现，甚至被一位因此而一举成名的天才高中生发现.”§0.7 Mobius（德1790-1868）带莫比乌斯圈是一种单侧、不可定向的曲面.因A.F. 莫比乌斯(August Ferdinand Möbius, 1790-1868)发现而得名.将一个长方形纸条ABCD的一端AB固定，另一端DC扭转半周后，把AB和CD粘合在一起，得到的曲面就是麦比乌斯圈，也称麦比乌斯带.数学上流传着这样一个故事：有人曾提出，先用一张长方形的纸条，首尾相粘，做成一个纸圈，然后只允许用一种颜色，在纸圈上的一面涂抹，最后把整个纸圈全部抹成一种颜色，不留下任何空白.这个纸圈应该怎样粘？如果是纸条的首尾相粘做成的纸圈有两个面，势必要涂完一个面再重新涂另一个面，不符合涂抹的要求，能不能做成只有一个面、一条封闭曲线做边界的纸圈儿呢？对于这样一个看来十分简单的问题，数百年间，曾有许多科学家进行了认真研究，结果都没有成功.后来，德国的数学家麦比乌斯对此发生了浓厚兴趣，他长时间专心思索、试验，也毫无结果.有一天，他被这个问题弄得头昏脑涨了，便到野外去散步.新鲜的空气，清凉的风，使他顿时感到轻松舒适，但他头脑里仍然只有那个尚未找到的圈儿.一片片肥大的玉米叶子，在他眼里变成了“绿色的纸条儿”，他不由自主地蹲下去，摆弄着、观察着.叶子弯取着耸拉下来，有许多扭成半圆形的，他随便撕下一片，顺着叶子自然扭的方向对接成一个圆圈儿，他惊喜地发现，这“绿色的圆圈儿”就是他梦寐以求的那种圈圈.麦比乌斯回到办公室，裁出纸条，把纸的一端扭转180°，再将一端的正面和背面粘在一起，这样就做成了只有一个面的纸圈儿. 圆圈做成后，麦比乌斯捉了一只小甲虫，放在上面让它爬.结果，小甲虫不翻越任何边界就爬遍了圆圈儿的所有部分.麦比乌斯激动地说：“公正的小甲虫，你无可辩驳地证明了这个圈儿只有一个面.” 麦比乌斯圈就这样被发现了.做几个简单的实验，就会发现“麦比乌斯圈”有许多让我们惊奇有趣的结果.莫比乌斯带用Matlab描绘的莫比乌斯带垃圾回收标志微处理器厂商Power Architecture 标志1979年，美国著名轮胎公司百路驰创造性地把传送带制成麦比乌斯圈形状，这样一来，整条传送带环面各处均匀地承受磨损，避免了普通传送带单面受损的情况，使得其寿命延长了整整一倍.针式打印机靠打印针击打色带在纸上留下一个一个的墨点，为充分利用色带的全部表面，色带也常被设计成麦比乌斯圈.在美国匹兹堡著名肯尼森林游乐园里，就有一部“加强版”的云霄飞车——它的轨道是一个麦比乌斯圈.乘客在轨道的两面上飞驰.§0.8 Klein（德1849-1925）瓶克莱因瓶的结构非常简单，一个瓶子底部有一个洞，现在延长瓶子的颈部，并且扭曲地进入瓶子内部，然后和底部的洞相连接.实际上，可以说克莱因瓶是一个三度的麦比乌斯带.我们知道，在平面上画一个圆，再在圆内放一样东西，假如在二度空间中将它拿出来，就不得不越过圆周.但在三度空间中，很容易不越过圆周就将其拿出来，放到圆外.将物体的轨迹连同原来的圆投影到二度空间中，就是一个“二维克莱因瓶”，即麦比乌斯带（这里的莫比乌斯带是指拓扑意义上的莫比乌斯带）.再设想一下，在我们的三度空间中，不可能在不打破蛋壳的前提下从鸡蛋中取出蛋黄，但在四度空间里却可以.将蛋黄的轨迹连同蛋壳投影在三度空间中，必然可以看到一个克莱因瓶.克莱因克莱因瓶克莱因瓶从上往下的投影即为太极图§0.9 Jordan(法1838-1922)曲线定义平面上一条不自交的连续闭曲线称为Jordan曲线（或简单闭曲线）.定理（Jordan定理）平面上任一简单闭曲线都将平面分为两个区域，即内部和外部，且内部有界，外部无界.此定理是Jordan于1893年提出，12年后由Veblen（美1880-1960）给出证明，此定理的证明很难，证明方法很多.。