第2章 欧式空间中的点集

欧氏空间(Euler space )一、 内积与欧氏空间1.设V 是实数域R 上的线性空间,在V 上定义一个二元实函数,称为内积,记为),(βα,它具有以下性质: )3(,)2(),,(),)(1( αββα= 这样的线性空间V 称为欧几里的空间,简称欧氏空间.2.设V 是数域P 上的线性空间,如果V 中的任意两个向量βα,都按某一法则对应P 内唯一确定的数,记为),(βαf ,且),(),(),(,,,,)1(221122112121βαβαβααβααk f k k k f V P k k +=+∈∈∀有;),(),(),(,,,,)2(221122112121βαβαββαββαl f l l l f V P l l +=+∈∈∀有 则称),(βαf 是V 上的一个双线性函数.3.内积是双线性函数.4.设V 是n 维欧氏空间,n e e e ,,,21 为V 的一组基,V ∈βα,,若n n e x e x e x +++= 2211α; n n e y e y e y +++= 2211β则j i n j ni j i j i n j n i j i y x a y x e e ∑∑∑∑====∆=1111),(),(βα,5.称 )),(()(j i ij e e a A ==为基n e e e ,,,21 的度量矩阵.6. 设n e e e ,,,21 是n 维欧氏空间V 的一组基,,A 是基n e e e ,,,21 下的度量矩阵,则任意V ∈βα,,有AY X '=),(βα.7.度量矩阵必为正定矩阵,且不同基下的度量矩阵是合同的.二、 长度与夹角1。

欧氏空间V 中向量长度 ),(||ααα=；单位化：当||0||0αααα=≠时， 2．欧氏空间中的重要不等式：① Cauchy-Буняковский不等式：对任意向量V ∈βα,有线性相关时等式成立。

，当且仅当βαβαβα|,||||),(|≤。

定直线的欧式2-斯坦纳树问题欧式2-斯坦纳树问题（Euclidean 2-Steiner Tree Problem）是一个经典的图论问题，其主要目标是找到一棵最小的树，使得给定的一组点集上的两两点之间的欧式距离之和最小。

为了更好地理解和解释这个问题，我将分为以下几个部分进行论述：问题定义、问题分析、解决方法、应用领域和总结。

一、问题定义：在给定的欧式空间中，有一组点集P={p1,p2,……，pn}，其中n为点集P的大小。

我们的目标是找到一棵树，使得这棵树上的所有节点都属于点集P，并且这棵树的边权之和最小。

换句话说，我们要找到一个子集S，其中S⊆P，使得S中的节点之间的欧式距离之和最小。

二、问题分析：在问题定义中，我们要求找到一个子集S，其中S⊆P。

换句话说，我们要找到一些额外的节点，将它们和点集P中的节点连接起来，形成一棵树。

这些额外的节点称为Steiner节点，在问题分析中，我们可以看到，Steiner节点的主要作用是连接其他节点，而非直接参与到最终计算的距离之和中。

三、解决方法：为了解决欧式2-斯坦纳树问题，我们可以采用贪心算法或者动态规划算法。

在贪心算法中，我们从点集P中选择两个点，然后找到一个Steiner节点将这两个点连接起来，接着再从点集P中选择另外一个点，继续进行连接，直到所有的点都被连接起来为止。

在每一步中，我们选择连接两个点之间的最短边。

由于这是一个NP-hard问题，我们无法保证贪心算法能够得到最优解。

因此，在实际应用中，我们可以采用启发式算法，比如模拟退火算法、遗传算法等，以求得近似最优解。

四、应用领域：欧式2-斯坦纳树问题在实际应用中有着广泛的应用领域。

它被广泛应用于计算机网络、通信系统、电力系统、交通规划等领域。

在计算机网络中，欧式2-斯坦纳树问题可以用来优化网络的拓扑结构，提高通信效率。

在通信系统中，欧式2-斯坦纳树问题可以用来优化信号传输路径，提高信号质量。

在电力系统中，欧式2-斯坦纳树问题可以用来优化电力线路，提高供电可靠性。

第二章 点集教学目的1.欧氏空间R n 上的测度与积分是本课程的主要研究对象.熟悉欧氏空间上的开集,闭集和Cantor 集等常见的集,为后面的学习打下基础.2.掌握直线上的开集，闭集及完备集构造.3.理解点、集之间的距离概念.重点难点1.由R n 上的距离给出邻域，内点，聚点的定义，从而给出开集，闭集的定义.Cantor 集是一个重要的集，它有一些很特别的性质.应使学生深刻理解本节介绍的各种集的概念并熟练应用.充分利用几何图形的直观,帮助理解本章的内容.2.直线上开集构造定理尤为重要，由它演绎出闭集，完备集构造定理.§2.1 度量空间·n 维欧氏空间（简介）§2.2 聚点·内点·界点一、邻域若R x ∈，0>ε，则{}εε<∈=),(:),(y x d R y x V称为x 的ε邻域.若R x ∈,R E ⊂,并且有0>ε,使E x V ⊂),(ε,则E 称为x 的一个邻域. 定理2.2.1 ),(εx V 是其每一点的邻域.证明：若∈y ),(εx V ，则),(y x d <ε.取=δ-ε),(y x d 0>.则对任何∈z ),(δy V ,由距离所满足的三角不等式知εδ=+<+≤),(),(),(),(y x d y x d y z d x z d即∈z ),(εx V .由此),(δy V ⊂),(εx V .由定义),(εx V 是y 的邻域.二、内点、聚点、孤立点设R E ⊂,R x ∈.若E 是x 的邻域，则称x 是E 的内点；E 的内点全体称为E 的内核，记为0E ；若x 的任一邻域与E 有非空交，则x 称为E 的附着点；，E 的附着点全体称为E 的闭包，记为E .若对x 的任何邻域V 都有{}≠-E x V )(φ，则x 称为E 的聚点；E 的聚点全体称为E 的导集，记为E '；若E x ∈但x 不是E 的聚点，则x 称为E 的孤立点.定理 2.2.2 ∈x E '的充分必要条件是有E 中点列{}n x ，使x x n ≠且x x n →.证明：充分性由聚点定义立即可知.现证必要性.首先证明：若∈x E '，则对0>∀ε，),(εx V 中必含有E 的无穷多个点.事实上，如果对某个00>ε，),(0εx V 只含有E 的有限多个点x x k ≠，n k ,,2,1 =，令{}||,|,||,|min 21n x x x x x x ---= ε，则{}()=-E x x V ),(εφ，与∈x E '矛盾. 其次，设nn 1=ε，取{}()E x x x x x V x n n n 121,,,,),(--∈ε，则有E x n ∈使x x n ≠且x x n →.容易证明，对任何R E ⊂，E E E '= .定理2.2.3 E x ∈的充分必要条件是有E 中点列{}n x ，使x x n →. 证明：充分性由闭包的定义是显然的.现证必要性.因E x ∈，则对0>∀ε，≠E x V ),(εφ，若E x ∈，则取x x n =；若E x ∉，则∈x E '，由定理2.2.2得证.例题2.2.1 设E 是]1,0[中全体有理点.则在R 中]1,0[='E ，=0E φ，]1,0[='=E E E .如果在2R 中考察点集E ，那么E '、0E 、E 分别是怎样的点集？ 定理2.2.4 (i)设B A ⊂，则B A '⊂'，00B A ⊂，B A ⊂；(ii) B A B A ''=' )(证明：只证(ii)式.因B A A ⊂，由(i)知)('⊂'B A A ，同理)('⊂'B A B ，从而)('⊂''B A B A .另一方面，设)('∈B A x ，则由定理2.2.2，存在B A 中点列{}n x ，使x x n ≠且x x n →.若A x '∈，则B A x ''∈ ；若A x '∉，则{}n x 中至多有有限多个点属于A ，其余无限个点属于B ，即B x '∈.故B A x ''∈ .这样又有B A B A ''⊂' )(.所以B A B A ''=' )(.例题2.2.2 B A B A =证明：因B A A ⊂，B A B ⊂，由定理4(i)得B A A ⊂，B A B ⊂，从而B A B A ⊂.另一方面，由定理2.2.4(ii)式知，B A B A ''=' )(，又由闭包定义得B A B A ⊂.所以B A B A =.下面的定理告诉我们，在什么情况下≠'E φ.定理2.2.5 (Bolzano-Weierstrass)R 中任一有界无限点集至少有一个聚点.证明方法与数学分析中相同.§2.3 开集·闭集·完备集一、开集与闭集设R G ⊂.若G 是其每一点的邻域，则G 称为开集.由定理1.6.1，对任何R x ∈和0>ε，),(εx V 是开集.我们规定：空集φ是开集.定理2.3.1 (i) R 和φ是开集；(ii)任何两个开集的交是开集；(iii)任何一族开集的并是开集.证明：只证(ii).设21,G G 为开集.令G =1G 2G .设G ≠φ.任取G x ∈，则1G x ∈且2G x ∈，于是有1ε，2ε使⊂),(1εx V 1G ，⊂),(2εx V 2G .令ε={}21,min εε,则G x V ⊂),(ε.这就证明了G 是开集.设R F ⊂.若F R F c -=是开集，则F 称为闭集.由De Morgan 公式，对应定理1，我们有定理2.3.2(i) R 和φ是闭集；(ii)任何两个闭集的并是闭集；(iii)任何一族闭集的交是闭集.注意，定理2.3.1可以推广到(i)有限个开集之交是开集，(ii)任意多个开集之并是开集；定理2.3.2可以推广到(i)有限个闭集之并是闭集，(ii)任意多个闭集之交是闭集.但无限多个开集之交不一定是开集.例如⎪⎭⎫ ⎝⎛-∞=n n n 1,11 ={}0，而{}0不是开集；同样，无限多个闭集之并也不一定是闭集.例如，⎥⎦⎤⎢⎣⎡∞=1,11n n =]1,0(，不是闭集.因此，上述两定理中的限制是必要的.此外我们有定理2.3.3 R F ⊂是闭集的充分必要条件是对F 中任何点列{}n x ，若x x n →，则F x ∈.证明：设F 是闭集，F x n ∈且x x n →.若F x ∉，则c F x ∈.但c F 是开集，从而有0>ε使c F x V ⊂),(ε.这样对任何n ，),(εx V x n ∉，此与x x n →矛盾.这样F x ∈.必要性得证.反之设条件满足，要证F 是闭集，或等价地证c F 是开集.假设c F 不是开集，则有c F x ∈，使c F 不是x 的邻域.于是对任何1≥n ，)1,(nx V 中有F 的点n x .显然x x n →.由条件得知F x ∈，此与c F x ∈矛盾.因此c F 是开集，F 是闭集.显然R 中的开区间),(b a 是开集.没有孤立点的闭集称为完备集.定理2.3.4 (i)E E ⊂0,0E 是开集而且是E 中最大开集； (ii)E E ⊃，E 是闭集而且是包含E 的最小闭集.证明：(i)显然E E ⊂0.现证0E 是开集.设0E x ∈，即E 是x 的邻域.从而有0>ε使E x V ⊂),(ε.由§2定理1知E 也是),(εx V 中所有点的邻域.即),(εx V 中所有点都是E 的内点.因此0),(E x V ⊂ε.从而0E 是开集.其次若开集G 满足E G E ⊂⊂0，则G 中所有点都是E 的内点，从而0E G ⊂.于是0E G =.这就是说0E 是E 中最大开集.(ii)显然E E ⊃.现任取E x n ∈，x x n →.由E x n ∈知n x 的任何邻域与E的交非空.现对任意0>ε，因x x n →有),(εx V x n ∈，所以≠E x V ),(εφ.即x 的任何邻域与E 的交非空，故E x ∈.由定理2.3.3，E 是闭集.其次设闭集F 满足E F ⊃.对任何E x ∈，由定理2.3.3，有E x n ∈使x x n →.但此时F x n ∈并且F 是闭集，所以同样有F x ∈.这样F E ⊂.说明E 是包含E 的最小闭集.推论 E 是开集的充分必要条件是0E E =，E 是闭集的充分必要条件是E E =.定理2.3.5 E 是完备集的充分必要条件是E E '=.§2.4 直线上开集、闭集及完备集的构造一、开集、闭集的构造设G 是R 中的开集，),(b a 是开区间.若),(b a ⊂G 但G a ∉且G b ∉，则),(b a 称为G 的一个构成区间.其中a 可以是∞-，b 可以是∞.引理2.4.1 设G 是R 中的开集.则G 中每一点必属于G 的一个构成区间.证明：设G x ∈.由于G 是开集，所以有0>ε使),(εε+-x x ⊂G .现令 {}G b x x b b ⊂'>'=),(:sup ，{}G x a x a a ⊂'<'=),(:inf .则),(b a 是G 的构成区间并且),(b a x ∈.定理2.4.1 若G 是R 中的开集，则G 是至多可数个两两不相交的开区间的并.证明：由引理1，G 是它的所有构成区间的并.但由构成区间的定义知，任何两个不同的构成区间不相交.这样G 就是一族两两不相交的开区间的并.而这样一族开区间是至多可数的.关于闭集的构造，可以从它的补集来了解.设F 是R 中的完备集.由定义，首先F 是闭集，从而c F 是开集.由定理2.4.1, c F 是至多可数个两两不相交的开区间的并，不妨设()n n n cb a F ,1∞== 其中(){}n n b a ,两两不相交.其次F 没有孤立点，所以(){}n n b a ,中任两个开区间没有公共端点.反之若上式中的开区间列(){}1,≥n n n b a 两两不相交，则F 是完备集.这样我们有定理2.4.2 F 是R 中的完备集的充分必要条件是F R F c -=是至多可数个两两不相交且无公共端点的开区间的并.二、一个重要的集——Cantor 集.将区间]1,0[三等分，取走中间长为31的开区间⎪⎭⎫ ⎝⎛=32,311,1I .把余下的两个闭区间各三等分，各取走中间长为91的两个开区间⎪⎭⎫ ⎝⎛=92,911,2I 和⎪⎭⎫ ⎝⎛=98,972,2I .然后再将余下的四个闭区间各三等分，各取走中间长为271的两个开区间⎪⎭⎫ ⎝⎛=272,2711,3I 、⎪⎭⎫ ⎝⎛=278,2772,3I ⎪⎭⎫ ⎝⎛=2720,27193,3I ⎪⎭⎫ ⎝⎛=2726,27254,3I 等等.如此继续下去，便取走了]1,0[中的开集=G ⎪⎭⎫ ⎝⎛32,31 ⎪⎭⎫ ⎝⎛32,31 ⎪⎭⎫ ⎝⎛38,37 ⎪⎭⎫ ⎝⎛32,31 … 得到Cantor 完备集G C -=]1,0[.G 中所有开区间的长度之和为13232323111322==+++∑∞=-n n n 下面来考察Cantor 集C 的性质.(i)显然Cantor 集C 是非空的闭集.(ii) Cantor 集C 没有孤立点.事实上，C x ∈∀，设),(βα是含x 的任一开区间.令),min(x x --=βαδ，在构造Cantor 集C 的过程中，当进行到第n 次时，所余n 2个闭区间的长都是n 31，只要n 充分大，就有δ<n 31.由于x 是永远删不掉的点，x 应属于删去n 次后余下的某个闭区间k n I ,121-≤≤n k ，则),(,βα⊂∈k n I x .注意到k n I ,的两端点也在),(βα内，而且都属于C ，故()≠-C x }{),(βαφ，即C x '∈.所以Cantor 集C 没有孤立点.(iii) Cantor 集C 是不可数集.用反证法.设C 是可数的，则其元素可以排成 ,,,,,321n x x x x ，显然，]31,0[与]1,32[中应有一个不含1x ，以1I 记之.将1I 三等分，所得左右两个闭区间中应有一个不含2x ，以2I 记之.再三等分2I ，可得不含3x 的闭区间3I ，如此继续下去，归纳地得到一闭区间列：1I ⊃2I ⊃3I ⊃⊃n I ⊃，n n I x ∉ ，),3,2,1( =n易见n I 的长度031→n )(∞→n ，由闭区间套定理，必有点n I ∈ξ),3,2,1( =n .但ξ是n I 等的端点集的聚点，因而也是C 的聚点，故C ∈ξ.由于n n I x ∉，),3,2,1( =n ，所以n x ≠ξ.这就引出了矛盾.因此C 不可数.综上所述，Cantor 集C 是非空不可数的完备集.或者说Cantor 完011__92__97__98__91__32__32__271__277__278__2719__2720__2725__2726__27备集C 有连续统势.其证明方法还可以利用n 元数列全体具有连续统势.证明2 对每一]1,0[∈x 有 ++++=44332213333a a a a x ,其中2,1,0=n a ,{}1≥n n a 是三元数列.第一次拿走的1,1I x ∈)32,31(=,所以第一项11=a ,即 +=31x第二次拿走的x 在)32,31(221,2=I 或)38,37(222,2=I 中: 对)32,31(221,2=I 中的x ,第二项12=a , ++=23130x 对)38,37(222,2=I 中的x ,第二项12=a ,979132=+ , ++=23132x 第三次拿走的的x 在。

第2章度量空间与连续映射从数学分析中已经熟知单变量和多变量的连续函数，它们的定义域和值域都是欧氏空间（直线，平面或空间等等）或是其中的一部分．在这一章中我们首先将连续函数的定义域和值域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之间的连续映射（参见§2.1）．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（参见§2.2）．随后再逐步提出拓扑空间中的一些基本问题如邻域，闭包，内部，边界，基和子基，序列等等．§2.1度量空间与连续映射本节重点：掌握拓扑学中度量的概念及度量空间中的连续映射的概念．注意区别：数学分析中度量、连续映射的概念与本节中度量、连续映射的概念．注意，在本节的证明中,应细细体会证明的方法．首先让我们回忆一下在数学分析中学习过的连续函数的定义．函数f：R→R 称为在点∈R处是连续的，如果对于任意实数ε＞0，存在实数δ＞0，使得对于任何x∈R，当|x-|<δ时,有|f(x)-f()|<ε.在这个定义中只涉及两个实数之间的距离（即两个实数之差的绝对值）这个概念；为了验证一个函数在某点处的连续性往往只要用到关于上述距离的最基本的性质，而与实数的其它性质无关，关于多元函数的连续性情形也完全类似．以下，我们从这一考察出发，抽象出度量和度量空间的概念.定义2.1.1 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当且仅当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的一个度量．如果ρ是集合X的一个度量，称（X，ρ）是一个度量空间，或称X是一个对于ρ而言的度量空间．有时，或者度量ρ早有约定，或者在行文中已作交代，不提它不至于引起混淆，这时我们称X是一个度量空间．此外，对于任意两点x，y∈X，实数ρ(x，y)称为从点x到点y的距离．着重理解：度量的本质是什么？例2.1.1 实数空间R．对于实数集合R，定义ρ：R×R→R如下：对于任意x，y∈R，令ρ（x，y）=|x-y|．容易验证ρ是R的一个度量，因此偶对（R，ρ）是一个度量空间．这个度量空间特别地称为实数空间或直线．这里定义的度量ρ，称为R的通常度量，并且常常略而不提，迳称R为实数空间．（今后我们说实数空间，均指具有通常度量的实数空间．）例2.1.2 n维欧氏空间．对于实数集合R的n重笛卡儿积＝R×R×…×R定义ρ：×→R如下：对于任意x=（）,y=，令ρ（x，y）＝容易验证（详见课本本节最后部分的附录）ρ是的一个度量，因此偶对(，ρ)是一个度量空间．这个度量空间特别地称为n维欧氏空间．这里定义的度量ρ，称为的通常度量，并且常常略而不提，迳称为n维欧氏空间．2维欧氏空间通常称为欧氏平面或平面．（今后说通常度量，均指满足这种公式的度量）例2.1.3 Hilbert空间H．记H为平方收敛的所有实数序列构成的集合，即H＝{x=()|<∞}定义ρ如下：对于任意x＝（），y＝（）∈H令ρ(x,y)=说明这个定义是合理的（即验证<∞）以及验证ρ是H的一个度量，均请参见课本本节最后部分的附录．偶对（H，ρ）是一个度量空间．这个度量空间特别地称为Hilbert空间．这里定义的度量ρ称为H的通常度量，并且常常略而不提，迳称H为Hilbert空间．例2.1.4 离散的度量空间．设（X，ρ）是一个度量空间．称（X，ρ）是离散的，或者称ρ是X 的一个离散度量，如果对于每一个x∈X，存在一个实数＞0使得ρ（x，y）＞对于任何y∈X，x≠y，成立．例如我们假定X是一个集合，定义ρ：X×X→R使得对于任何x，y∈X，有ρ(x,y)=容易验证ρ是X的一个离散的度量，因此度量空间（X，ρ）是离散的．通过这几个例子，可知，度量也是一种映射，但它的象空间是实数．离散的度量空间或许是我们以前未曾接触过的一类空间，但今后会发现它的性质是简单的．定义 2.1.2 设（X，ρ）是一个度量空间，x∈X．对于任意给定的实数ε＞0，集合{y∈X|ρ（x，y）<ε}记作B（x，ε），或，称为一个以x为中心以ε为半径的球形邻域,简称为x的一个球形邻域，有时也称为x的一个ε邻域．此处的球形邻域是球状的吗？定理2.1.1 度量空间（X，ρ）的球形邻域具有以下基本性质：（1）每一点x∈X,至少有一个球形邻域，并且点x属于它的每一个球形邻域；（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∈X的某一个球形邻域，则y有一个球形邻域包含于x的那个球形邻域．证明:（1）设x∈X．对于每一个实数ε＞0，B（x，ε）是x的一个球形邻域，所以x至少有一个球形邻域；由于ρ（x，x）=0，所以x属于它的每一个球形邻域．(2)如果B（x，）和B（x，）是x∈X的两个球形邻域，任意选取实数ε＞0，使得ε＜min{ }，则易见有B（x，ε）B（x，）∩B（x，）即B（x，ε）满足要求．（3）设y∈B（x，ε）．令＝ε-ρ（x，y）．显然．＞0．如果z∈B （y，），则ρ（z，x）≤ρ（z，y）+ρ（y，x）＜+ρ（y，x）=ε所以z∈B（x，ε）．这证明B（y，）B（x，ε）．定义2.1.3 设A是度量空间X的一个子集．如果A中的每一个点都有一个球形邻域包含于A（即对于每一个a∈A，存在实数ε＞0使得B（a，ε）A，则称A是度量空间X中的一个开集．注意：此处的开集仅是度量空间的开集．例2.1.5 实数空间R中的开区间都是开集．设a，b∈R，a＜b．我们说开区间（a，b）={x∈R|a＜x＜b}是R中的一个开集．这是因为如果x∈（a，b），若令ε＝min{x-a，b-x}，则有B（x，ε）（a，b）．也同样容易证明无限的开区间（a，∞）＝{x∈R|x＞a}，（-∞，b）={x∈R|x＜b}（-∞,∞）＝R都是R中的开集．然而闭区间[a，b]={x∈R|a≤x≤b}却不是R中的开集．因为对于a∈[a，b]而言，任何ε＞0，B（x，ε）[a,b]都不成立．类似地，半开半闭的区间（a，b]={x∈R|a＜x≤b}，[a，b)＝{x∈R|a≤x＜b}无限的闭区问[a，∞)={x∈R|x≥a},（－∞，b]={x∈R|x≤b}都不是R中的开集．定理2.1.2 度量空间X中的开集具有以下性质：（1）集合X本身和空集都是开集；（2）任意两个开集的交是一个开集；（3）任意一个开集族（即由开集构成的族）的并是一个开集．证明根据定理2.1.1（1）X中的每一个元素x都有一个球形邻域，这个球形邻域当然包含在X 中，所以X满足开集的条件；空集中不包含任何一个点，也自然地可以认为它满足开集的条件．（2）设U和V是X中的两个开集．如果x∈U∩V，则存在x的一个球形邻域B（x，）包含于U，也存在x的一个球形邻域B（x，）包含于V．根据定理2.1.1（2），x有一个球形邻域B（x，ε）同时包含于B（x，）和B （x，），因此B（x，ε）B（x，）∩B（x，）U∩V由于U∩V中的每一点都有一个球形邻域包含于U∩V，因此U∩V是一个开集．（3）设*Α是一个由X中的开集构成的子集族．如果，则存在∈*A使得x∈由于是一个开集，所以x有一个球形邻域包含于，显然这个球形邻域也包含于．这证明是X中的一个开集．此外，根据定理2.1.1（3）可见，每一个球形邻域都是开集．球形邻域与开集有何联系？为了讨论问题的方便，我们将球形邻域的概念稍稍作一点推广．定义2.1.4 设x是度量空间X中的一个点，U是X的一个子集．如果存在一个开集V满足条件：x∈V U，则称U是点x的一个邻域．下面这个定理为邻域的定义提供了一个等价的说法，并且表明从球形邻域推广为邻域是自然的事情．定理2.1.3 设x是度量空间X中的一个点．则X的子集U是x的一个邻域的充分必要条件是x有某一个球形邻域包含于U．证明如果U是点x的一个邻域，根据邻域的定义存在开集V使得x∈V U，又根据开集的定义，x有一个球形邻域包含于V，从而这个球形邻域也就包含于U．这证明U满足定理的条件．反之，如果U满足定理中的条件，由于球形邻域都是开集，因此U是x的邻域．现在我们把数学分析中的连续函数的概念推广为度量空间之间的连续映射．定义2.1.5 设X和Y是两个度量空间，f:X→Y，以及∈X如果对于f()的任何一个球形邻域B（f(),ε），存在的某一个球形邻域B（，δ），使得f(B（，δ）)B（f（），ε），则称映射在点处是连续的．如果映射f在X的每一个点x∈X处连续，则称f是一个连续映射．以上的这个定义是数学分析中函数连续性定义的纯粹形式推广．因为如果设ρ和分别是度量空间X和Y中的度量，则f在点处连续，可以说成：对于任意给定的实数ε＞0，存在实数δ＞0使得对于任何x∈X只要ρ（x，）＜δ（即x∈B（,δ）便有(f(x),f())＜ε.（即f(x)∈B（f()，ε））．下面的这个定理是把度量空间和度量空间之间的连续映射的概念推广为拓扑空间和拓扑空间之间的连续映射的出发点．定理2.1.4 设X和Y是两个度量空间，f：X→Y以及∈X．则下述条件（1）和（2）分别等价于条件（1）*和（2）*：（1）f在点处是连续的；（1）*f()的每一个邻域的原象是的一个邻域；（2）f是连续的；（2）*Y中的每一个开集的原象是X中的一个开集．证明条件（1）蕴涵（1）*：设（1）成立．令U为f（）的一个邻域．根据定理2.1.3，f（）有一个球形邻域B（f（），ε）包含于U．由于f 在点处是连续的，所以有一个球形邻域B（，δ）使得f（B（，δ））B（f（），ε）．然而，（B（f（），ε）（U），所以B（，δ）（U），这证明（U）是的一个邻域．条件（1）*蕴涵（1）．设条件（1）*成立．任意给定f（）的一个邻域B（f(),ε），则（B（f()，ε）是的一个邻域．根据定理2.1.3，有一个球形邻域B（，δ）包含于（B（f（），ε）．因此f（B（，δ））B（f（），ε）．这证明f在点处连续．条件（2）蕴涵（2）*．设条件（2）成立．令V为Y中的一个开集，U＝（V）．对于每一个x∈U，我们有f（x）∈V．由于V是一个开集，所以V是f（x）的一个邻域．由于f在每一点处都连续，故根据（1）*，U是x 的一个邻域．于是有包含x的某一个开集Ux使得Ux U．易见U＝∪x∈UUx．由于每一个Ux都是开集，根据定理2.1.2，U是一个开集．条件（2）*蕴涵（2）．设（2）*成立，对于任意x∈X，设U是f（x）的一个邻域，即存在包含f（x）的一个开集V U．从而x∈（V）（U）．根据条件（2）*，（V）是一个开集，所以（U）是x的一个邻域，对于x 而言，条件（1）*成立，于是f在点x处连续．由于点x是任意选取的，所以f是一个连续映射．从这个定理可以看出：度量空间之间的一个映射是否是连续的，或者在某一点处是否是连续的，本质上只与度量空间中的开集有关（注意，邻域是通过开集定义的）．这就导致我们甩开度量这个概念，参照度量空间中开集的基本性质（定理2.1.2）建立拓扑空间和拓扑空间之间的连续映射的概念作业：P47 1.2.3.4.§2.2拓扑空间与连续映射本节重点:拓扑与拓扑空间的概念,并在此空间上建立起来的连续映射的概念.注意区别:拓扑空间的开集与度量空间开集的异同；连续映射概念的异同.现在我们遵循前一节末尾提到的思路，即从开集及其基本性质（定理2.1.2）出发来建立拓扑空间的概念．定义2.2.1 设X是一个集合，τ是X的一个子集族．如果τ满足如下条件：（l）X，∈τ；（2）若A，B∈T，则A∩B∈τ；（3）若则称τ是X的一个拓扑．如果τ是集合X的一个拓扑，则称偶对（X，τ）是一个拓扑空间，或称集合X是一个相对于拓扑τ而言的拓扑空间；此外T的每一个元素都叫做拓扑空间（X，τ）或（X）中的一个开集．即：A∈τA是开集.（此定义与度量空间的开集的性质一样吗？留给大家思考）经过简单的归纳立即可见，以上定义中的条件（2）蕴涵着：有限多个开集的交仍是开集，条件（3）蕴涵着：任意多个开集的并仍是开集．现在首先将度量空间纳入拓扑空间的范畴．定义2.2.2 设（X，ρ）是一个度量空间·令为由X中的所有开集构成的集族．根据定理2.1.2，（X，）是X的一个拓扑．我们称为X的由度量ρ诱导出来的拓扑．此外我们约定：如果没有另外的说明，我们提到度量空间（X，ρ）的拓扑时，指的就是拓扑；在称度量空间（X，ρ）为拓扑空间时，指的就是拓扑空间（X，）因此，实数空间R，n维欧氏空间（特别，欧氏平面），Hilbert空间H都可以叫做拓扑空间，它们各自的拓扑便是由例2.1.1，例2.1.2和例2.1.3中定义的各自的度量所诱导出来的拓扑．例2.2.1 平庸空间．设X是一个集合．令T={X，}．容易验证，T是X的一个拓扑，称之为X的平庸拓扑；并且我们称拓扑空间（X，T）为一个平庸空间．在平庸空间（X，T）中，有且仅有两个开集，即X本身和空集．例2.2.2 离散空间．设X是一个集合．令T=P（X），即由X的所有子集构成的族．容易验证，T是X的一个拓扑，称之为X的离散拓扑；并且我们称拓扑空间（X，T）为一个离散空间.在离散空间（X，T）中，X的每一个子集都是开集．例2.2.3 设X＝{a，b，c}．令T ={，{a}，{a，b}，{a，b，c}}．容易验证，T是X的一个拓扑，因此（X，T）是一个拓扑空间．这个拓扑空间既不是平庸空间又不是离散空间．例2.2.4 有限补空间．设X是一个集合．首先我们重申：当我们考虑的问题中的基础集自明时，我们并不每次提起．因此在后文中对于X的每一个子集A，它的补集X－A我们写为．令T ={U X|是X的一个有限子集}∪{}先验证T是X的一个拓扑：（1）X∈T (因为=)；另外，根据定义便有∈T．（2）设A，B∈T如果A和B之中有一个是空集，则A∩B∈T,假定A和B都不是空集．这时是X的一个有限子集，所以A∩B∈T ．（3）设．令,显然有如果，则设任意选取．这时是X 的一个有限子集，所以根据上述（1），（2）和（3），P是X的一个拓扑，称之为X的有限补拓扑．拓扑空间（X，P）称为一个有限补空间．例2.2.5 可数补空间．设X是一个集合．令T ={U X|是X的一个可数子集}∪{}通过与例2.2.4中完全类似的做法容易验证（请读者自证）T 是X的一个拓扑，称之为X的可数补拓扑．拓扑空间（X，T ）称为一个可数补空间．一个令人关心的问题是拓扑空间是否真的要比度量空间的范围更广一点？换句话就是问：是否每一个拓扑空间的拓扑都可以由某一个度量诱导出来？定义2.2.3 设（X，P）是一个拓扑空间．如果存在X的一个度量ρ使得拓扑P即是由度量ρ诱导出来的拓扑，则称（X，P）是一个可度量化空间．根据这个定义，前述问题即是：是否每一个拓扑空间都是可度量化空间？从§2．1中的习题2和3可以看出，每一个只含有限个点的度量空间作为拓扑空间都是离散空间．然而一个平庸空间如果含有多于一个点的话，它肯定不是离散空间，因此它不是可度量化的；例2.2.3中给出的那个空间只含有三个点，但不是离散空间，也不是可度量化的．由此可见，拓扑空间是比可度量空间的范围要广泛．进一步的问题是满足一些什么条件的拓扑空间是可度量化的？这是点集拓扑学中的重要问题之一，以后我们将专门讨论．现在我们来将度量空间之间的连续映射的概念推广为拓扑空间之间的连续映射．定义2.2.4 设X和Y是两个拓扑空间，f:X→Y．如果Y中每一个开集U 的原象（U）是X中的一个开集，则称f是X到Y的一个连续映射，或简称映射f连续．按这种方式定义拓扑空间之间的连续映射，明显是受到了§2．1中的定理2.1.4的启发．并且那个定理也保证了：当X和Y是两个度量空间时，如果f:X→Y 是从度量空间X到度量空间Y的一个连续映射，那么它也是从拓扑空间X到拓扑空间Y的一个连续映射，反之亦然．（按照约定，涉及的拓扑当然都是指诱导拓扑）下面的这个定理尽管证明十分容易，但所指出的却是连续映射的最重要的性质．定理2.2.1 设X，Y和Z都是拓扑空间．则（1）恒同映射：:X→X是一个连续映射；（2）如果f:X→Y和g:Y→Z都是连续映射，则gof:X→Z也是连续映射．证明（l），所以连续．（2）设f:X→Y,g:Y→Z都是连续映射这证明gof连续．在数学科学的许多学科中都要涉及两类基本对象．如在线性代数中我们考虑线性空间和线性变换，在群论中我们考虑群和同态，在集合论中我们考虑集合和映射，在不同的几何学中考虑各自的图形和各自的变换等等．并且对于后者都要提出一类来予以重视，例如线性代数中的（线性）同构，群论中的同构，集合论中的—一映射，以及初等几何学中的刚体运动（即平移加旋转）等等．我们现在已经提出了两类基本对象，即拓扑空间和连续映射．下面将从连续映射中挑出重要的一类来给予特别的关注．定义2.2.5 设X和Y是两个拓扑空间．如果f：X→Y是一个—一映射，并且f和：Y→X都是连续的，则称f是一个同胚映射或同胚．定理2.2.2 设X，Y和Z都是拓扑空间．则（1）恒同映射：X→X是一个同胚；（2）如果f：X→Y是一个同胚，则：Y→X也是一个同胚；（3）如果f ：X→Y 和g ：Y→Z 都是同胚，则gof ：X→Z 也是一个同胚． 证明 以下证明中所涉及的根据，可参见定理2.2.1，定理l ．5．3和定理1．5．4．（l ）是一个—一映射，并且，都是连续的，从而是同胚．（2）设f ：X→Y 是一个同胚．因此f 是一个—一映射，并且f 和都是连续的．于是也是一个—一映射并且和也都是连续的，所以也是一个同胚．（3）设f ：X→Y 和g ：Y→Z 都是同胚．因此f 和g 都是—一映射，并且f ，，g 和都是连续的．因此gof 也是—一映射，并且gof 和都是连续的．所以gof 是一个同胚．定义2.2.6 设X 和Y 是两个拓扑空间．如果存在一个同胚f ：X→Y，则称拓扑空间X 与拓扑空间Y 是同胚的，或称X 与Y 同胚，或称X 同胚于Y ．粗略地说，同胚的两个空间实际上便是两个具有相同拓扑结构的空间．定理2.2.3 设X ，Y 和Z 都是拓扑空间．则（1）X 与X 同胚；（2）如来X 与Y 同胚，则Y 与X 同胚；（3）如果X 与Y 同胚，Y 与Z 同胚，则X 与Z 同胚．证明从定理2.2.2直接得到．根据定理2.2.3，我们可以说：在任意给定的一个由拓扑空间组成的族中，两个拓扑空间是否同胚这一关系是一个等价关系．因而同胚关系将这个拓扑空间族分为互不相交的等价类，使得属于同一类的拓扑空间彼此同胚，属于不同类的拓扑空间彼此不同胚．拓扑空间的某种性质P，如果为某一个拓扑空间所具有，则必为与其同胚的任何一个拓扑空间所具有，则称此性质P是一个拓扑不变性质．换言之，拓扑不变性质即为同胚的拓扑空间所共有的性质．拓扑学的中心任务便是研究拓扑不变性质．至此我们已经做完了将数学分析中我们熟知的欧氏空间和欧氏空间之间的连续函数的概念，经由度量空间和度量空间之间的连续映射，一直抽象为拓扑空间和拓扑空间之间的连续映射这样一个在数学的历史上经过了很长的一段时期才完成的工作．在数学的发展过程中对所研究的问题不断地加以抽象这种做法是屡见不鲜的，但每一次的抽象都是把握住旧的研究对象（或其中的某一个方面）的精粹而进行的一次提升，是一个去粗取精的过程．也正因为如此，新的概念和理论往往有更多的包容．拓扑学无疑也是如此，一方面它使我们对“空间”和“连续”有更为纯正的认识，另一方面也包含了无法列入以往的理论中的新的研究对象（特别是许多无法作为度量空间处理的映射空间）．这一切读者在学习的过程中必然会不断地加深体会．作业：P55 2,5,6,8,9,10§2.3邻域与邻域系本节重点：掌握邻域的概念及邻域的性质；掌握连续映射的两种定义；掌握证明开集与邻域的证明方法（今后证明开集常用定理2.3.1）．我们在数学分析中定义映射的连续性是从“局部”到“整体”的，也就是说先定义映射在某一点处的连续性，然后再定义这个映射本身的连续性．然而对于拓扑空间的映射而言，先定义映射本身的连续性更为方便，所以我们先在§2.2中做好了；现在轮到给出映射在某一点处的连续性的定义了．在定理2.1.4中我们已经发现，为此只要有一个适当的称之为“邻域”的概念，而在§2.1中定义度量空间的邻域时又只用到“开集”．因此我们先在拓扑空间中建立邻域的概念然后再给出映射在某一点处的连续性的概念，这些概念的给出一点也不会使我们感到突然．定义2.3.1 设（X，P)是一个拓扑空间，x∈X．如果U是X的一个子集，满足条件：存在一个开集V∈P使得x∈V U，则称U是点x的一个邻域．点x 的所有邻域构成的x的子集族称为点x的邻域系．易见，如果U是包含着点x 的一个开集，那么它一定是x的一个邻域，于是我们称U是点x的一个开邻域．首先注意，当我们把一个度量空间看作拓扑空间时（这时，空间的拓扑是由度量诱导出来的拓扑），一个集合是否是某一个点的邻域，无论是按§2.1中的定义或者是按这里的定义，都是一回事．定理2.3.1 拓扑空间X的一个子集U是开集的充分必要条件是U是它的每一点的邻域，即只要x∈U，U便是x的一个邻域．证明定理中条件的必要性是明显的．以下证明充分性．如果U是空集，当然U是一个开集．下设U≠．根据定理中的条件，使得故U=，根据拓扑的定义，U是一个开集．定理2.3.2概括了邻域系的基本性质．定理2.3.2 设X是一个拓扑空间．记为点x∈X的邻域系．则：（1）对于任何x∈X，≠；并且如果U∈，则x∈U；（2）如果U，V∈，则U∩V∈；（3）如果U∈并且U V，则V∈；（4）如果U∈，则存在V∈满足条件：(a)V U和(b)对于任何y∈V，有V∈．证明（1）X,X∈P,∴X∈,∴≠且由定义,如果U∈，则x∈U（2）设U，V∈．则存在U．∈P和∈P使得和成立．从而我们有,T,∴U∩V∈（3）设U∈，并且（4）设U∈．令V∈P满足条件．V已经满足条件（a），根据定理2.3.1，它也满足条件（b）．以下定理表明，我们完全可以从邻域系的概念出发来建立拓扑空间理论，这种做法在点集拓扑发展的早期常被采用．这种做法也许显得自然一点，但不如现在流行的从开集概念出发定义拓扑来得简洁．定理2.3.3 设X是一个集合．又设对于每一点x∈X指定了x的一个子集族，并且它们满足定理2.3.2中的条件（1）～（4）．则x有惟一的一个拓扑T使得对于每一点x∈X，子集族恰是点x在拓扑空间（X，P)中的邻域系．(证明略)现在我们来将度量空间之间的连续映射在一点处的连续性的概念推广到拓扑空间之间的映射中去．定义2.3.2 设X和Y是两个拓扑空间，f:X→Y，x∈X．如果f（x）∈Y的每一个邻域U的原象（U）是x∈X的一个邻域，则称映射f 是一个在点x处连续的映射，或简称映射f在点x处连续．与连续映射的情形一样，按这种方式定义拓扑空间之间的映射在某一点处的连续性也明显地是受到了§2.1中的定理2.1.4的启发．并且该定理也保证了：当X和Y是两个度量空间时，如果f: X→Y是从度量空间X到度量空间Y 的一个映射，它在某一点x∈X处连续，那么它也是从拓扑空间X到拓扑空间Y 的一个在点x处连续的映射；反之亦然．这里我们也有与定理2.2.l类似的定理．定理2.3.4 设X，Y和Z都是拓扑空间．则（1）恒同映射：X→X在每一点x∈X处连续；（2）如果f：X→Y在点x∈X处连续，g：Y→Z在点f（x）处连续，则gof：X→Z在x处连续．证明请读者自己补上．以下定理则建立了“局部的”连续性概念和“整体的”连续性概念之间的联系．定理2.3.5 设X和Y是两个拓扑空间，f：X→Y．则映射f连续当且仅当对于每一点x∈X，映射f在点x处连续．证明必要性：设映射f连续，这证明f在点X处连续．充分性：设对于每一点x∈X，映射f在点x处连续．这就证明了f连续．作业:掌握证明一个子集是邻域的方法,掌握证明一个映射是否连续的方法．§2.4导集，闭集，闭包本节重点：熟练掌握凝聚点、导集、闭集、闭包的概念；区别一个点属于导集或闭包的概念上的不同；掌握一个点属于导集或闭集或闭包的充要条件；掌握用“闭集”叙述的连续映射的充要条件．如果在一个拓扑空间中给定了一个子集，那么拓扑空间中的每一个点相对于这个子集而言“处境”各自不同，因此可以对它们进行分类处理．定义2.4.1 设X是一个拓扑空间，A X．如果点x∈X的每一个邻域U 中都有A中异于x的点，即U∩（A-{x}）≠，则称点x是集合A的一个凝聚点或极限点．集合A的所有凝聚点构成的集合称为A的导集，记作d（A）．如果x∈A并且x不是A的凝聚点，即存在x的一个邻域U使得U∩（A-{x}）＝，则称x为A的一个孤立点．即:(牢记)在上述定义之中，凝聚点、导集、以及孤立点的定义无一例外地都依赖于它所在的拓扑空间的那个给定的拓扑．因此，当你在讨论问题时涉及了多个拓扑而又谈到某个凝聚点时，你必须明确你所谈的凝聚点是相对于哪个拓扑而言，不容许产生任何混淆．由于我们将要定义的许多概念绝大多数都是依赖于给定拓扑的，因此类似于这里谈到的问题今后几乎时时都会发生，我们不每次都作类似的注释，而请读者自己留心．某些读者可能已经在诸如欧氏空间中接触过刚刚定义的这些概念，但绝不要以为对欧氏空间有效的性质，例如欧氏空间中凝聚点的性质，对一般的拓扑空间都有效．以下两个例子可以帮助读者澄清某些不正确的潜在印象．例2.4.1 离散空间中集合的凝聚点和导集．设X是一个离散空间，A是X中的一个任意子集．由于X中的每一个单点集都是开集，因此如果x∈X，则X有一个邻域{x}，使得，以上论证说明，集合A没有任何一个凝聚点，从而A的导集是空集，即d（A）＝．例2.4.2 平庸空间中集合的凝聚点和导集．设X是一个平庸空间，A是X中的一个任意子集．我们分三种情形讨论：第1种情形：A=．这时A显然没有任何一个凝聚点，亦即d（A）=．（可以参见定理2.4.1中第（l）条的证明．）第2种情形：A是一个单点集，令 A＝{}如果x∈X，x≠，点x只有惟一的一个邻域X，这时，所以；因此x是A的一个凝聚点，即x∈d（A）．然而对于的惟一邻域X有：。

数学分析（三）的学习内容和学习方法概述一、基本概述数学分析（三）主要涉及数学分析的第三块内容：多元函数的微积分学。

这块内容与一元函数微积分学的相关内容对应，只是研究对象换成了多元函数，研究的内容相应换成了多元函数的三大动态性质（即连续性、可微性和可积性），而且研究时采用的核心思想和方法，相较于一元函数并没有实质的变化，仍然采用的是极限的思想和方法，许多量的具体计算方法就是沿用一元函数的相应方法（如多元函数的偏导数实质就是适当一元函数的导数，多元函数的各种积分的计算最终转化为的是一元函数定积分的计算等），但值得注意的是由于多元函数的定义域所处的空间由一维扩展成了高维，影响函数的要素不再是一元而是多元，因此采用的极限思想和方法的呈现方式在形式上会有一些细节上的差异（比如动点的变化方式会变得更多样、更复杂一些），这样也会导致由极限所延伸出的多元函数的动态性质在表现形式的细节方面较之一元函数会复杂一些（例如多元函数的连续性、可微性和可积性的呈现形式就要比一元函数要复杂一些，多元函数的微分中值公式、泰勒公式、多元函数积分的种类也是如此等），甚至有些动态性质在细节上的有关结果与一元函数的相应结果还会有一些差异（例如一元函数可导与可微的等价关系就不能平行移植到多元函数上等），这就要求学习者在学习时，既要善于与一元函数微积分学的内容和方法进行类比，更要有足够的耐心、更加的细致。

鉴于数学分析（三）的内容特点，建议学习者在学习课程内容时采用的方法：以“对照、类比学习”为主：由于数学分析（三）的内容是比照一元函数微积分学的内容产生的，“对照、类比学习”的方法既可以充分利用在数学分析（一、二）的学习中已形成的思维方式，已建立的内容结构，使数学分析（三）的内容接受起来相对轻松自然，还可在过程中复习巩固已学一元函数的相关内容和方法（这对数学分析（三）的学习是很重要的，实际上数学分析（三）中很多内容就是仿照一元函数的相关内容平行产生，很多量的具体计算最终就是一元函数中的相关方法、公式起作用），同时更利于学习者容易看清楚多元函数的某些性质与一元函数的相关性质的差异，便于区分。