《点集拓扑讲义》第三章 子空间(有限),积空间,商空间 学习笔记

点集拓扑学教案为聊城大学数学科学学院数学与应用数学专业三年级本科生开设《点集拓扑》课程。

按熊金城《点集拓扑讲义》(第三版, 北京: 高等教育出版社, 2003)第一至七章编写的教案。

本科生授课 64学时，教学内容与进度安排如下：第一章 朴素集合论点集拓扑学(Point-set Topology)现称一般拓扑学(General Topology), 它的起源与出发点都是 集合论. 作为基本的点集拓扑学知识, 所需的只是一些朴素集合论的预备知识. 本章介绍本书中 要用到的一些集合论内容, 主要涉及集合及集族的运算、等价关系、映射、可数集、选择公理等. 作为一教材, 讲义对各部分内容均有较系统的论述 , 作为授课, 我们只强调一些基本内容, 而对 已有过了解的知识不提或少提.记号: Z, Z +, R, Q 分别表示整数集, 正整数集, 实数集和有理数集.教学重点：集合的基本概念、运算，映射的概念；教学难点：选择公理一. 集合的运算幂集 P )(X , 交∩ 、并∪、差－(补, 余/,A A c).运算律: De Morgan 律: (1) C)-(A B)-(A C)(B -A ⋂=⋃. (2) C)-(A B)-(A C) (B -A ⋃=⋂A-(B ∩ C)=(A-B)∪(A-C) 利用集合的包含关系证明(1).类似可定义任意有限个集的交或并, 如记Y Y n i ni i i n n n A A A A A A A A ≤=-==⋃⋃⋃=⋃⋃⋃11121)...(...A i . 规定 0 个集之并是φ, 不用 0 个集之交.二. 关系R 是集合X 的一个关系, 即R y x X X R ∈⨯⊂),(,记为 xRy , 称 x 与 y 是 R 相关的. R 称为自反的, 若X x ∈∀, xRx; R 称为对称的, 若 xRy, 则 yRx; R 称为传递的, 若 xRy, yRz, 则 xRz. 等价关系: 自反、对称、传递的关系.如, Δ(X)={(x, x )|x ∈X}, 恒同关系, 它是等价关系; y} x R,y x,|y) {(x,<∈，小于关系, 它是传递 的, 但不是对称的、不是自反的.设 R 是 X 上等价关系,X x ∈∀, x 的 R 等价类或等价类R [x ]或[x]为 xRy}| X {y ∈,R [x ] 的元称为R [x ] 的代表元; 商集 X} x | {[x]R X/R ∈=.定理 1.4.1 设 R 是非空集合 X 的等价关系, 则 (1)R [x ] x X,x ∈∈∀;(2)X y x, ∈∀，或者[x]R =[y]R , 或者φ=⋂R R [y] [x ]证(2). 设R R [y] [x ]z ⋂∈, 则zRy ZRx ,, 于是R R [y] [x ]⊂且R R [y] [x ]⊃, 于是R R [y] [x ]=.三. 映射函数：Y X f →:.像：}|)({)(,A x x f A f X A ∈=⊂∀； 原像：})(|{)(,1B x f X x B f Y B ∈∈=⊂∀-满射、单射、一一映射(双射)、可逆映射、常值映射、恒同映射X i 、限制A f |、扩张、内射X A i A X →:|集合n i X i ≤,, 笛卡儿积∏∏=≤≤≤∈===⨯⨯⨯ni i i n i n i i n n i X x x x x X X X X X 121121},)...,{(...到第i 个坐标集iX 的投射i i X X p →: 定义为i x x p =)(, 其中),..,(1n x x x =.对等价关系,R 集合X 到商集R X /的自然投射R X X p /:→定义为 R x x p ][)(=. 四. 集族数列+∈=Z n n n }{x }{x , 有标集族τγγ∈}{A , 指标集 Γ, 与}{τγγ∈A 不同, 可记有标集族A A A ∈=γγ}{; 类似地, 定义其并Y τγλ∈A (或∪A )、交Iτγλ∈A (或∩ A ), 不定义 0 个集的交.与有限集族有相同的运 算律, 如 De Morgan 律Y IIY τγγτγγτγγτγγ∈∈∈∈=--=-A A A A A A A ,)(,映射对应的集族性质: I Y I Y τγγτγτγγγτγγ∈∈∈∈==)()(),()(A f A f A f A f ,I Y IY τγγτγτγγγτγγ∈-∈∈--∈-==)()(),()(1111B f B f B f B f五. 无限集通过一一映射来确定两集合的个数的多少.有限集(φ或与某{1, 2, … , n}有一一映射), 无限集, 可数集(φ或存在X 到 Z +的单射),不可数集.易验证: 有限集是可数集, 可数集的子集是可数集, 可数集的映像是可数集. 定理 1.7.3X 是可数集X ⇔是 Z +的映像.由此, Q 是可数集, 两可数集的笛卡儿积集是可数集, 可数个可数集之并集是可数集. 定理 1.7.8 R 是不可数集.利用 Cantor 对角线法证明开区间(0, 1)中的实数不可数 .直观上, 集合 A 中元素的个数称为该集合的基数, 记为card A, 或|A|. |Z +|=a , |R|=c . 若存在 从集合 A 到集合 B 的单射, 则定义|A|≤ |B|.连续统假设: 不存在基数α, 使得c a <<α.选择公理: 若 A 是由非空集构成的集族, 则∈∀A A , 可取定.)(A A ∈ε.由选择公理可证明, 若βα,是基数, 则下述三式中有且仅有一成立: βαβαβα>=<,,第二章 拓扑空间与连续映射本章是点集拓扑学基础中之基础, 从度量空间及其连续映射导入一般拓扑学中最基本的两 个概念: 拓扑空间、连续映射, 分析了拓扑空间中的开集、邻域、聚点、闭集、闭包、内部、边 界、基与子基的性质，各几种不同的角度生成拓扑空间，及刻画拓扑空间上的连续性.教学重点：拓扑空间与连续映射,邻域与邻域系； 教学难点：基与子基；可度量化空间2.1 度量空间与连续映射在 R 上, |x-y|表示点 x 与 y 之间的距离. 绝对值是一非负函数, 具有三条重要性质. 定义 2.1.1 设 X 是一集合 ,R X X →⨯:ρ. 如果满足正定性、对称性和三角不等式, 则称ρ是X 的一个度量.),(ρX 称为度量空间, y) (x,ρ表示两点 x, y 之间的距离.例 2.1.1 实数空间 R. (x,y)=|x -y|, R 的通常度量.例 2.1.2 n 维欧氏空间 R R R R n⨯⨯⨯=....对于nR x ∈, 记 n i i x x ≤≤=1)( 定义∑=-=ni i iy xy x 12)(),(ρ为 R n 的通常度量, n 维欧氏空间. R 2 称为欧氏平面或平面.例 2.1.3 Hilbert 空间 H.},...),..,({1221∑∞=∞<==i i n x x x x x H∑∞=-=→→⨯12)(),(),(:i i iy xy x y x R H H ρρ定义, 易证ρ为度量 则度量空间 ),(ρH 称为 Hilbert 空间.例 2.1.4 离散度量空间.度量空间),(ρX 称为离散的, 若0,>∃∈x X x δ, 使得不存在X 中的点x y ≠, 满足xy x δρ<),(如对集合X , 按如下方式定义R X X →⨯:ρ 是X 上的离散度量:⎩⎨⎧≠==y x yx y x ,1,0),(ρ定义2.1.2 设),(ρX 是度量空间}),({),(ερε<∈=y x X y x B 称为以x 为心,ε为半径的球形邻域或ε邻域, 或球形邻域. 对(R, |.|), )+x ,-(x =) B(x, εεε.定理 2.1.1 度量空间),(ρX 的球形邻域具有性质:(1)).(,0,εεx B x X x ∈>∈∀(2))2,.(),.(),.(,0,0,,313321εεεεεεx B x B x B x X x ⋂⊂∈>∃>∈∀满足则；(3) 若 0),,(>∃∈δεx B y 使),(),(εδx B y B ⊂ ；证 (2)},m in{0213εεε<<；(3)),(),(),,(εδρεδx B y B y x ⊂-=则 定义 2.1.3X 的子集A 称为),(ρX 的开集, 若A x B A a ⊂>∃∈),(,0,εε使. 每一球形邻域是开集.例 2.1.5 R 中的开区间是开集.),(b a x ∈让},min{x b a x --=ε 则 ),(),(b a x B ⊆ε 同样可证, 无限开区也是开集.闭区间[a, b] 不是开集.定理 2.1.2 度量空间的开集具有以下性质:(1)φ,X 是开集; (2)两开集的交是开集; (3)任意开集族之并是开集. 证 (1)由定理 2.1.1(1); (2), (3)由定理 2.1.1(2).定义 2.1.4 设X 是度量空间, U X U X x ,,⊆∈ 称为x 的邻域, 若有开集V , 使U V x ⊆∈.定理 2.1.3U 是X 中点x 的邻域存在ε>0, 使 B(x, ε) ⊂U.定义 2.1.5 设Y X ,是两度量空间.Y X f →:, X x ∈0, 称f 在0x 连续, 若)(0x f 的球形邻域)0(),),((0>εεx f B存在0x 的球形邻域 B(x 0, δ), 使).),(()),((00εδx f B x B f ⊂ 称f 在X 连续, 若f 在X 的每一点连续.定理 2.1.4 设Y X ,是两度量空间. Y X f →:, X x ∈0, 那么 (1)f 在0x 连续若U 是)(0x f 的邻域, 则)(1U f -是0x 的邻域;(2) f 在X 连续若U 是Y 的开集, 则)(1U f -是X 的开集.证 (1)利用定义 2.1.5, 2.1.4.(2)“”f -1 (U)是每一点的邻域.“”证每一点连续, 利用(1).由此可见, 度量空间的连续只与邻域或开集有关. 它导入建立比度量空间更一般的拓扑空间 的概念及其连续性.2.2 拓扑空间与连续映射定义 2.2.1 设 τ是集合 X 的子集族, 若τ 满足:τττττττφ∈⊂∀∈⋂⇒∈∀∈Y 11,)3(;,)2(;,)1(B A B A X称τ是X 的一个拓扑),(τX 是拓扑空间, τ的元称为X 的开集. 空间 X 的拓扑是 X 的全体开集的族.定义 2.2.2),(ρX 度量空间.ρτ由 X 的所有开集构成的族 . (X, ρτ)称为由度量ρ诱导出的拓扑空间. ρτ简称为度量拓扑.度量空间一定是拓扑空间.例 2.2.1 平庸拓扑},{φτX =平庸空间.例 2.2.2 离散拓扑)(X P =τ. 离散空间. X 的每一子集是开集. 由离散度量空间导出的拓扑是 离散拓扑.例 2.2.4 有限补拓扑}{}{/φτ⋃⊂=的有限子集是X U X U . 验证 τ是 X 上的拓扑. (1)显然 . (2)X B A,⊂， 讨论 A ∩B 时分两种情形, 一是 A, B 中有一是φ, 二是 A, B 都不是φ ；（3）ττ⊂1,不妨设10τφ∈≠∃A 利用 De Morgan 律.有限补空间.例 2.2.5 可数补拓扑}{}{/φτ⋃⊂=的可数子集是X U X U定义 2.2.3 可度量化空间.离散空间是可度量化空间. 多于一点的平庸空间不是可度量化空间. 度量化问题是点集拓扑学研究的中心问题之一. 本书将在6.6中给出该问题的一个经典的解 .定义 2.2.4 Y X , 是两拓扑空间. Y X f →:称f 连续, 若 Y 中每一开集 U 的原象 f -1(U)是 X 中的开集.定理 2.2.1 恒同映射连续. 连续函数的复合是连续的.定义 2.2.5 Y X f →:称为同胚或同胚映射, 若f f 是一一映射且f f 及 1-f均连续.定义 2.2.6 称两空间 X 与 Y 同胚, 或 X 同胚于 Y, 若存在从 X 到 Y 的同胚.定理 2.2.2(2.2.3) 恒同映射同胚(X 与 X 同胚); f 同胚⇒1-f同胚 (若 X 与 Y 同胚, 则 Y 与 X 同胚); 同胚的复合是同胚(若 X 与 Y 同胚, 且 Y 与 Z 同胚, 则 X 与 Z 同胚).空间的同胚关系是等价关系.拓扑学的中心任务 : 研究拓扑不变性质.抽象化过程: 欧氏空间→度量空间→拓扑空间; 点距离→度量→开集.2.3 邻域定义 2.3.1 设),(τX 是拓扑空间. X U X x ⊂∈,称为 x 的邻域, 如果存在τ∈V 使U V x ⊆∈; 若 U 是开的, U 称为 x 的开邻域.定理 2.3.1 设U X U .⊂是 X 的开集⇔U 是它的每一点的邻域 .证 由定义得“⇒”; 利用开集之并为开得“⇐”.x 在 X 的所有邻域构成的族称为 x 的邻域系, 记为 U x .定理 2.3.2 U x 的性质:(1) X ∈U x ; U ∈U x , x ∈U;(2) U, V ∈U x U ∩ V ∈U x ; (3) U ∈U x 且 U ⊂V ⇒V ∈U x ;(4) U ∈U x ∃⇒V ∈U x 使 V ⊂U 且 V y ∈∀, V ∈U y .证 由定义 2.3.1 得(1); 由开集的交是开集得 (2); 由定义 2.3.1 得(3); 取V 为满足U v x ⊂∈的开集.由邻域系出发可建立拓扑空间的理论, 显得自然 , 但不流行. 利用邻域与开集的关系 (定理2.3.1)导出开集, 从 U x )(X x ∈∀具有定理 2.3.2 的性质的(1)-(4)出发, 定义∈∈∀⊂=U U x X U ,{τU x }, 则),(τX 是拓扑空间, 且这空间中每一点 x 的邻域系恰是 U x . 详见定理 2.3.3.定义 2.3.2(点连续) 映射Y X f →:称为在点 x ∈X 连续, 如果 U 是 f(x)在 Y 中的邻域, 则 f -1(U)是 x 在 X 中的邻域.定理 2.1.4 保证了在度量空间中点的连续性与由度量导出的拓扑空间中的点的连续性的一致 . 另一方面 , 关于点的连续性 , 易验证(定理 2.3.4), 恒等映射在每一点连续, 两点连续的函数之复 合仍是点连续的. 定义 2.2.4 与定义 2.3.2 所定义的“整体”连续与每一“点”连续是一致的.定理 2.3.5 设 Y X f →: 则 f 连续⇔f 在每一 x ∈X 连续.证 “⇒”若 U 是 f(x)的邻域,∃开集 V 使U V x f ⊂∈)(, x )()(11U f V f x --⊂∈ “⇐”若 U 是 Y 的开集,)(1U f x -∈, U 是 f(x)的邻域, f -1 (U)是 x 的邻域, 所以 f -1 (U)在 X 中开.2.4 导集、闭集 、闭包定义 2.4.1 设x X A ,⊂称为 A 的聚点(凝聚点, 极限点), 如果 x 的每一邻域 U 中有 A 中异于 x 的点, 即 U ∩ (A-{x})φ≠. A 的全体聚点之集称为 A 的导集, 记为 d(A). x 称为 A 的孤立点, 若 x 不 是 A 的聚点, 即存在 x 的邻域 U 使 U ∩ (A-{x})=φ, 即 U ∩ A ⊂{x}.例 2.4.1 X 是离散空间. 若X A ⊂, 则.φ=)(A d,X x ∈∀取 U={x}, 则 U ∩ A ⊆{x}, 所以)(A d x ∉.例 2.4.2 X 是平庸空间, X A ⊂若 A=φ, 则φ=)(A d ; 若|A|=1, 则 d(A)=X-A; 若|A|>1, 则X A d =)(.对于,X x ∈∀, 若 U 是 x 的邻域, 则 U=X, 于是 U ∩(A-{x})}{}{}){(x A x A x A U ⊄⇔≠-⇔≠-⋂φφ由此, 易计算 d(A).定理 2.4.1X B A ⊂,, 则(1)φφ=)(d ;(2))()(B d A d B A ⊂⇒⊂;(3) )()()(B d A d B A d ⋃=⋃;(4) )())((A d A A d d ⋃⊆证 由定义 2.4.1 得(1)和(2).关于(3). 由(2)得)()()(B A d B d A d ⋃⊂⋃. 设)()(B d A d x ⋃∉, 分别存在x 的邻域 V U ,使得}{},{x B V x A U ⊂⋂⊂⋂, 令V U D ⋂=, 则}{)(x B A D ⊂⋃⋂.关于(4). 设)(A d A x ⋃∉, 存在x 的邻域U , 使得},{x A U ⊂⋂取x 的开邻域U V ⊂, 则)).((,)(),(,}){(,,A d d x A d V A d y y A V V y A V ∉=⋂∉=-⋂∈∀=⋂φφφ.定义 2.4.2 X A ⊂称为 X 的闭集 , 如果 A d(A)⊂.定理 2.4.2 A 闭⇔/A 开 .证 “⇒”A x ∈∀ ,由于A A d ⊂)(, 存在x 的邻域U 使φ=⋂A U, 于是/A U ⊂.“⇐”),(,,//A d x A A A x ∉=⋂∈∀φ所以 A A d ⊂)(’例 2.4.3 R 的闭区间是闭集.),(),(],[/+∞⋃-∞=b a b a 开集.),(b a 不是闭集, 因为a 是聚点.定理 2.4.3 记 F 是空间X 的全部闭集族, 则(1) ∈φ,X F ;(2) ∈B A ,F ∈⇒B A Y F ;(3) F 对任意交封闭.证 利用 De Morgan 定律及拓扑的定义. F }{/τ∈=U U 直接验证可得(1)、(2)、(3) Cantor 集(例 2.4.4)是集合论、点集拓扑或实变函数论中是具有特别意义的例子 , 它说明 R 中 的闭集可以是很复杂的, 在此不介绍.定义 2.4.3 A ∪ d(A)称为 A 的闭包, 记为-A A ,_.定理 2.4.5 对X B A ⊂,, 有 (1) φφ=-;(2) -⊂A A ;(3)---⋃=⋃B A B A )( ;(4)---=A A )( .证 (3) ---⋃=⋃⋃⋃=⋃⋃⋃=⋃B A B d B A d A B A d B A B A )()()()(.(4) .))(()()())(()(------=⋃=⋃=⋃=A A d d A d A A d A A d A A Y . 上述 4 条确定了闭包运算, 称为 Kuratowski 闭包公理, 由此可建立拓扑空间的概念. 事实上阿记此运算为)(A c , 定义 }U )c(U | X {U //=⊂=τ , 则),(τX 是拓扑空间, 且这空间中每一-=AA c )( , 详见定理 2.4.8.关于闭包的几个相关结果:(1) ⇔∈-A x 对 x 的任一邻域有φ≠⋂A U . (定义 2.4.3 后) (2) --=}){()(x A A d ；(3) A 闭 -=⇔⊂⇔A A A A d )( . (定理 2.4.4)(4 )-A 是闭集. (定理 2.4.6)(5 ) -A 是包含A 的所有闭集之交, 是包含A 的最小闭集. (定理 2.4.7: 设 F 是包含A 的所有闭 集之交, 则F A A F A ⊂⊂⊂--,, 所以-=A F .) 定义 2.4.5),(ρX 是度量空间.对非空的X x X A ∈⊂,定义}),(inf{),(A y y x A x ∈=ρρ. 定理 2.4.9 对度量空间),(ρX 的非空子集 A(1)0),(=⇔∈-A x A x ρ; (2) 0}){,()(=-⇔∈x A x A d x ρ.证明：⇔≠⋂⇔<∈∃>∀⇔=φεερερA x B y x A y A x ),(),(,,00),(-∈⇔≠⋂∈∀A x A U U U x φ,定理 2.4.10 设 Y X f →:, 则下述等价(1)f 连续;(2) 若B 闭于Y , 则)(1B f-闭于X ; (3) --⊂⊂∀)()(,A f A f X A证明；B )2()1(⇒是Y 的闭集，/B 是Y 的开集，/1/1)()(B f B f --=是 X 的开集, f -1(B)是 X 的闭集.)3()2(⇒ --------⊂⊂⊂⊂)()(),)((),)((,)()(1A f A f A f fA A f f A A f A f)1()3(⇒设U 是Y 的开集，/U 是Y 的闭集且/1/1/1/1//1/1)()(),()(,))(())((U f U f U f U f U U f f U f f ----------=⊂⊂⊂是闭，)(1U f -是开2.5 内部、边界定义 2.5.1 若A 是x 的邻域, 则称x 是A 的内点. A 的所有内点的集合称为A 的内部, 记为0A .定理2.5.1对/0///0,,A A A A X A ==⊂--证明：,0A x ∈由于,/φ=⋂A A 于是,/-∉A x 从而.//-∈A x反之x A x A x ∃∉∈--,,.///的邻域0/,,A x A V A V ∈⊆=⋂φ，因此，//0-=A A .从而---===A A A A A /0/////0/,.定理 2.5.3 对X B A ⊂,, 有(1)0X X =; A A ⊂0)2(；000)()3(B A B A ⋂=⋂000)4(A A =.证明：（1），（2）是显然的.00///////0)()(B A B A B A B A ⋂=⋂=⋃=⋂---而0//////00A A A A ===---关于内部的几个结果：（1）A 是x 的邻域0A x ∈⇔；(2)0A 是开集；（3）A 是开集；（4）0A 是A 所包含的所有开集之并，是含于A 内的最大开集.证明：//0)2(-=AA 是开集 （3）A 开/A ⇔闭0////A A A A A ==⇔=⇔--（4）设O 是含于A 内的所有开集之并，O A A O A o o ⊃⊂⊂,所以O A o =定义 2.5.2 x 称为A 的边界点, 若x 的每一邻域, 既含有A 中的点又有 /A 中 的点. A 的边界点 之集称为边界, 记为A ∂.定理 2.5.6 对X A ⊂，有A A A A A A A A A A o o ∂-=∂⋃=∂=⋂=∂----)3(;)2();()1(//证明：;)()()()2(/-----=⋃⋂⋃=⋂⋃=∂⋃A A A A A A A A A A o o o o o （3）o A A A A A A A A A A =⋂=-=⋂-=∂---------///)(2.6 基与子基度量空间→球形邻域→ 开集→ 拓扑 . 在度量空间中球形邻域的作用就是拓扑空间中基的作用.定义 2.6.1 设 τ是空间 X 的拓扑, B τ⊂, 如果τ中每一元是B 中某子集族之并, 称B 是X 的基.所有单点集的族是离散空间的基.定理 2.6.2 设B τ⊂ ,B 为 X 的基X x ∈∀⇔ 及x 的邻域 U x , x V ∃ 使x x U V x ⊂∈.证 “⇒”存在开集 W x 使得 Ux Wx x ⊂∈,∃B 1⊂B使得Y =x W B 1,∈∃x V B 1 ⊂B 1使x x U V x ⊂∈;“⇐” 设τ∈U ,∈∃∈∀x V U x ,B 使x x U V x ⊂∈, 从而⊂∈}|{U x V x B 且Y U x x V U ∈=在度量空间中, 所有球形邻域的族是度量拓扑的基(定理 2.6.1). 所有开区间的族是 R 的基.定理 2.6.3 拓扑空间X 的基B 满足:(i) ⋃B X =; (ii) ∈∀21,B B B ,∈∃⋂∈∀321,B B B x B , ,213B B B x ⋂⊂∈∀. 反之, 若集合 X 的子集族 B 满足(1)、(2), 定义}B {11B B ⊂⋃=τ, 则τ是X 的以 B 作为基的唯一拓扑.证 验证 τ是X 的拓扑. (1) φφ⋃=. (2) 先设∈21,B B B , 21B B x ⋂∈ , ∈∃x w B使21B B W x x ⋂⊂∈,于是τ∈⋂∈=⋂}|{2121B B x W B B x . 如果τ∈21,A A , 设⋃=1A B 1, ⋃=2A B 2,则∈⋂⋃=⋂12121|{B B B A A B 1,∈1B B 2}τ∈..(3) 设∃∈∀⊂,,11τττA B A ⊂B , 使得⋃=A B A , 那么{(1⋃⋃=⋃τB A | })1τ∈A .较强于(ii)且易于验证的条件是 (ii)∈∀21,B B B , ∈⋂21B B B .例 2.6.1 实数下限拓扑空间.令 B b}a R,b a,|b) {[a,<∈=,则B 为 R 上一拓扑的基. 这空间称为实数下限拓扑空间, 记为 R l . 开区间是 R l 中的开集, 因为Y +∈+=Z i b i a b a ),1[),(.定义 2.6.2 设),(τX 是拓扑空间, S τ⊂. 若 S 的元之所有有限交构成的族是τ的基, 则称 S 是τ的子基.S 的元之有限交构成的族∈⋂⋂⋂i n S S S S |...{21S ,}+∈≤Z n i . 显然, 空间X 的基是子基.例 2.6.2 S }|),{(}|),{(R b b R a a ∈-∞⋃∈+∞=是R 的子基.对照定理 2.6.3, 集合 X 的子集族 S 要作为子基生成X 上的拓扑的充要条件是∪S X =. (定理2.6.4)映射的连续性可用基、子基来刻画或验证.定理 2.6.5 设Y X ,是两拓扑空间, Y X f →:, 下述等价: (1)f 连续;(2) Y 基 B , 使得 B 中每一元的原像在X 中开;(3) Y 有子基 S , 使得 S 中每一元的原像在X 中开.证 (3)⇒ (2) 设 B 是 S 的元之所有有限交构成的族 , 则 B 满足(2).(2)⇒ (1) 设U 在Y 中开,则⋃=U B 1 , 于是∈=--B B fU f|)({)(11B 1 }在X 中开.类似地, 可定义点的邻域基与邻域子基的概念, 同时用它们来验证映射的连续性等. 在第五章中定义第一可数性时再介绍这些概念.2.7 拓扑空间中的序列可以与R 中一样地定义序列、常值序列、子序列, 见定义 2.7.1, 2.7.3.. 定义 2.7.2 X 中序列x x i →极限 , 收敛序列 .平庸空间中任意序列收敛于空间中的任一点. 数学分析中的一些收敛性质还是保留的, 如常 值序列收敛, 收敛序列的子序列也收敛 . (定理 2.7.1)定理 2.7.2 {x}-A 中序列)(A d x x x i ∈⇒→ 证x ∀的邻域,}){(,φ≡-x A U U 所以.)(A d x ∈ 定理 2.7.3f 在 x 0 连续且)()(00x f x f x x i i →⇒→ 证 设 U 是)(0x f 的邻域, 则)(1U f-是0x 的邻域, +∈∃Z n , 当n i >时有)(1U fx i -∈, 从而U x f i ∈)(.上述两定理的逆命题均不成立.例 2.7.1 设 X 是不可数集赋予可数补拓扑, 则 (1)在X 中+∈∃⇔→Z n x x i , 当n i > 时有.x x i =; (2)若A 是X 的不可数子集, 则X A d =)(.证（1）的必要性，令},|{+∈≠=Z i x x x D i i ，则/D 是x 的邻域，n i Z n >∀∈∃+,时有/D x i ∈，即x x i =证x ∀)2(的邻域/}{,U x A U ⊄-（可数集），所以).(,}){(A d x x A U ∈≠-⋂φ定理 2.7.2 的逆命题不真. 如例 2.7.1, 取定X x ∈0, 让}{0x X A -=, 则)(0A d x ∈, 但A 中没有序列收敛于0x .定理 2.7.3 的逆命题不真. 取X 是实数集赋予可数补拓扑, 让R X i →:是恒等映射, 若在X 中x x i → , 则在R 中)()(x f x f i →, 但 i 在 x 不连续, 因为x x 在R R 的开邻域)1,1(+-x x 的原像)1,1())1,1((1+-=+--x x x x i 在X 中不是开的.定理 2.7.4 设{x i }是度量空间),(τX 中的序列, 则0),(→⇔→x x x x i i ρ.证 x x x i ∀⇔→的邻域+∈∃Z n U ,, 当 i>n 时有+∈∃>∀⇔∈Z n U x i ,0ε当 i>n 时有+∈∃>∀⇔∈Z n x B x i .0),(εε当n i >时有0),(→x x i ρ.第三章 子空间、积空间、商空间介绍三种从原有的拓扑空间或拓扑空间族构造新空间的经典方法, 引入遗传性、可积性、可 商性等概念, 这些是研究拓扑性质的基本构架.教学重点：子空间与积空间；教学难点：子空间、（有限）积空间和商空间3.1 子空间对于空间 X 的子集族 A 及X Y ⊂, A 在 Y 上的限制 A |Y ∈⋂=A Y A |{A }.(定义 3.1.2)引理 3.1.2 设Y 是空间),(τX 的子集, 则是Y 上的拓扑.证 按拓扑的三个条件逐一验证. 如, 设ττττ∈∃∈∀⊂A Y B A ,,1|1, 使得Y B A A ⋂=, 于是Y A A Y A B A Y B |111})|{(}|{ττττ∈⋂∈⋃=∈⋂⋃=⋃定义 3.1.3 对),(,|Y Y X Y τ⊂称为),(τX 的子空间, Y |τ称为相对拓扑. “子空间”= “子集”+ “相对拓扑”.易验证, 若Z 是Y 的子空间, 且 Y 是X 的子空间, 则Z 是X 的子空间. (定理 3.1.4), 定理 3.1.5(3.1.7) 设 Y 是X 的子空间, Y y ∈, 则 (1)若*,ττ分别为Y X ,的拓扑, 则Y |*ττ=; (2)若 F , F *分别为Y X ,的全体闭集族, 则 F *=F |Y ;(3)若 U y , U y *分别为y 在 Y X , 中的邻域系, 则 U y *=U Y y |;(4)若 B 是X 的基, 则 B |Y 是Y 的基.证 (2) ∈*F F *,**Y U F Y F Y Y ⋂=-⇔∈-⇔τY F U Y U X F U |**,)(τττ∈⇔∈⋂-=⇔∈.(4)U 开于Y , 存在X 的开集V , 使得Y V U ⋂=,B 1 ⊂B , 满足⋃=V B 1, 则⋃=U (B 1 |Y ).在 R 的子空间),0(+∞中]1.0(是闭集. 定理 3.1.6 设Y 是X 的子空间,Y A ⊂, 则Y A c A c Y A d A d X Y X Y ⋂=⋂=)()()2(;)()()1(证 (1) )(A d y X ∈在X 中的邻域φ≠-⋂⋂⊃-⋂}){()(}){(,y A Y U y A U U , 所以Y A d y X ⋂∈)(. 反 之 , 设Y A d y X ⋂∈)(,y 在Y 中 的 邻 域y V ∃,在 X 中 的 邻 域U 使Y U V ⋂=, 于 是φ≠-⋂=⋂-=-}){(})){((}){(y A U Y y A U y A V I I , 所以).(A d y ∈.(2)Y A c Y A A d A Y A d A A d A A c X X X Y Y ⋂=⋃⋂⋃=⋂⋃=⋃=)()())(())(()()(.3.2 有限积空间就平面的球形邻域),(εx B d 而言, 我们知道球形邻域内含有方形邻域 , 方形邻域内含有球形邻域 . 从基的角度而言,形如),(),(222111εεx B x B ⨯的集合就是平面拓扑的基了. 对于两个拓扑空间Y X ,, 在笛卡儿积集Y X ⨯中可考虑形如V U ⨯的集合之全体, 其中 U, V 分别是 X, Y 的开集. 对于有限个空间n X X X ,...,,21, 可考虑形如n U U U ⨯⨯⨯...21的集合.定理 3.2.2 设),(i i X τ是 n 个拓扑空间, 则n X X X X ⨯⨯⨯=...21 有唯一的拓扑, 以 X 的子集族 B n i U U U U i i n ≤∈⨯⨯⨯=,|...{21τ为它的一个基 .证 验证 B 满足定理 2.6.3 的条件(i), (ii). (1) ∈⨯⨯⨯=n X X X X ...21B ,∪B =X; (2) 若∈⨯⨯⨯⨯⨯⨯n n V V V U U U ...,...2121B , 则∈⋂⨯⨯⋂⨯⋂=⨯⨯⨯⋂⨯⨯⨯)(...)()()...()...(22112121n n n n V U V U V U V V V U U U B .定义 3.2.2 以定理 3.2.2 中 B 为基生成n X X X X ⨯⨯⨯=...21 上的唯一拓扑, 称为拓扑n τττ,...,21的积拓扑.),(τX 称为),,),...(,(),,(2211n n X X X τττ的(有限 )积空间.定理3.2.4设n X X X X ⨯⨯⨯=...21是积空间,B i是i X 的基, 则B ∈⨯⨯⨯=i n B B B B |...{21Bi,}n i ≤是 积拓扑τ的基.证 利用定理 2.6.2. 设i i U U x ττ∈∃∈∈,使∈∃⊂⨯⨯⨯∈i n B U U U U x ,...21B i 使i i i U B x ⊂∈, 那么.......2121U U U U B B B x n n ⊂⨯⨯⨯⊂⨯⨯⨯∈.例 3.2.1 形如),(...),(),(2211n n b a b a b a ⨯⨯⨯的集合构成nR 的基.设),(),,(2211ρρX X 是两个度量空间.令22222111),(),(),(y x y x y x ρρρ+=,则ρ是21X X ⨯上的度量, 导出X 上的度量拓扑τ. 对于n 个度量空间之积可类似地定义. (定义3.2.1)定理 3.2.1 度量空间的有限积: 积拓扑与度量拓扑一致.验证2=n 的情形. 易验证),(),(),()2/,()2/,(22112211εεεεεx B x B x B x B x B ⨯⊂⊂⨯于是每一),(εx B 是积拓扑的开集, 且每一),(),(2211εεx B x B ⨯是度量拓扑的开集, 所以导出相同的拓扑.定理 3.2.5 有限积空间n X X X X ⨯⨯⨯=...21以 S },)({1n i U U p i i i i ≤∈=-τ为子基, 其中i τ是i X 的拓扑, i i X X p →:是投射.仅证2=n 的情形.2121221111)(,)(U X U p X U U p ⨯=⨯=--, 所以∈⨯=⋂--21212111)()(U U U p U p B .定义 3.2.3 Y X f →:称为开(闭)映射, 若U 开(闭)于X , 则)(U f 开(闭)于Y . 定理 3.2.6 i i X X p →:是满、连续、开映射, 未必是闭映射. 由于ni i i X U X X U p ⨯⨯⨯⨯⨯=-......)(211, 所以ip 连续. 由于i n i i U U U U U p =⨯⨯⨯⨯⨯)......(21, 所以是i p 开的. 但是R R p →21:不是闭的.定理 3.2.7 设映射X Y f →:其中X 是积空间n X X X ⨯⨯⨯..21. 则f 连续i i X Y f p n i →≤∀⇔:,ο连续.证 充分性. 对X 的子基 S )()())((},,)({1111i i i i i i i i U f p U p fn i U U p ----=≤∈=οτ开于Y .多元函数连续当且仅当它的每一分量连续.定理 3.2.8 积拓扑是使每一投射都连续的最小拓扑 . 即设τ是积空间n X X X X ⨯⨯⨯=...21的积拓扑, 若集合 X 的拓扑*τ满足: 每一投射i i X X p →),(:*τ连续,则*ττ⊂.证 由于*1},)({ττ⊆≤∈-n i U U p i i i i ， 所以*ττ⊂.3.3 商空间回忆, 商集R X /, 及自然投射R X X p /:→定义为R x x p ][)(=. 问题: 设X 是拓扑空间, 要在R X /上定义拓扑, 使p 连续的最大的拓扑.讨论更一般的情形, 设),(τX 是拓扑空间且Y X f →:是满射. 赋予集合Y 什么拓扑,使f 连续的最大的拓扑. 若f 连续, 且U 是Y 的开集, 则)(1U f-是X 的开集. 让})(|{11ττ⋃⊂=-U f Y U , 易验 证1τ是Y 上的拓扑.定义 3.3.1(3.3.2) 称1τ 是 Y 的相对于f 满射而言的商拓扑, ),(),(:1ττY X f →称为商映射. 这时, U 在 Y 中开)(1U f-⇔在X 中开;F 在Y 中闭)(1F f-⇔在X 中闭.定理 3.3.1 商拓扑是使f 连续的最大拓扑.证 设),(),(:1ττY X f →是商映射. 显然, f 是连续的. 如果2τ是Y 的拓扑使),(),(:1ττY X f →连续, 则ττ∈∈∀-)(,12U fU , 于是,1τ∈U 即,12ττ⊂, 所以1τ 是使 f连续的最大拓扑.定理 3.3.2 设Y X f →:是商映射. 对于空间Z , 映射Z Y g →:连续⇔映射Z X f g →:ο连续.证 设Z X f g →:ο连续,W ∀开于))(()()(,111W g fW f g Z ---=ο开于,X 由于f 是商映射, 所以)(1W g -开于Y , 故g 连续.定理 3.3.3 连续, 满开(闭)映射⇒商映射.证 设),(),(:Y X Y X f ττ→是连续的满开(闭)映射, 1τ是Y 的相对于f 而言的商拓扑, 要证Y ττ=1. 由定理 3.3.1, Y ττ⊃1 . 反之,X V fV ττ∈∈∀-)(,11. 对于开映射的情形Y V ff V τ∈=-))((1,; 对于闭映 射的情形, Y V f X f Y V τ∈--=-))((1, 所以总有Y ττ⊂1.定义 3.3.3 设R 是空间),(τX 的等价关系, 由自然投射R X X p i /:→确定了 X/R 的商拓扑, 称),/(R R X τ为商空间, 这时R X X p i /:→是商映射.例 3.3.1 在R 中定义等价关系~:⇔∈∀y x R y x ~,,或者Q y x ∈,, 或者Q y x ∉,商空间 R/~是由两点组成的平庸空间. 由于 Q 在 R 中既是开集, 也不是闭集, 所以单点集[Q]在R/~中既不是开集,也不是闭集. 习惯上, 把 R/~说成是在 R 中将所有有理点和所有无理点分别粘合为一点所得到的商空间.例 3.3.2 在1] [0,上定义等价关系⇔∈∀y x y x ~],1,0[,~:或者y x =, 或者~/]1,0}.[1,0{},{=y x 是 在1] [0,中粘合 0, 1 两点所得到的商空间, 这商空间同胚于单位圆周1S .第四章 连通性本章起的四章介绍 4 类重要的拓扑不变性质. 本章讨论连通性、道路连通性、局部连通性及 其在实分析中的一些简单的应用.教学重点：连通空间、局部连通空间；教学难点：连通分支.4.1 连通空间在拓扑中怎样定义连通, 分隔区间(0, 1), (1, 2)的关系与(0, 1), [1, 2)的关系不同, 虽然他们都 不相交, 但相连的程度不一样.定义 4.1.1 设,,X B A ⊂ 若φ=⋂=⋂--B A B A , 则称B A ,是隔离的. 区间(0, 1)与(1, 2)隔离, 但区间(0, 1)与[1, 2)不隔离.几个基本事实: (1)两不交的开集是隔离 的; (2)两不交的闭集是隔离的; (3)隔离子集的子集是隔离的 .定义 4.1.2X 称为不连通的, 若X 中有非空的隔离子集B A ,使B A X ⋃=, 即X 可表为两非空 隔离集之并. 否则X 称为连通的.包含多于一个点的离散空间不连通, 平庸空间是连通的.定理 4.1.1 对空间X , 下述等价:(1) X 是不连通的;(2) X 可表为两非空不交闭集之并;(3) X 可表为两非空不交开集之并;(4) X 存在既开又闭的非空真子集.证 (1)⇒(2)设隔离集B A ,之并是B B B A B B A B B X =⋂⋃⋂=⋃⋂=----)()()(,. 同理, A 也是闭的.(2)⇒(3)设X 是两非空不交闭集B A ,之并, 则X 是两非空不交开集B A ,之 并.(3)⇒(4)设X 是两非空不交开集B A , 之并, 则B A , 都是X 的既开又闭的非空真子集.(4)⇒ (1)若A 是X 的开闭集, 则A X A -,隔离.例 4.1.1 Q 不是R 的连通子空间, 因为)),())(,((+∞⋂-∞⋂=ππQ Q Q .定理 4.1.2 R 是连通的.证 若R 不连通, 则R 是两非空不交闭集B A , 之并 . 取定,,B b A a ∈∈ 不妨设b a <.令B b a B A b a A ⋂=⋂=],[,],[**则**,B A 是R 两非空不交闭集且**],[B A b a ⋃=.让 *sup A c =. 因*A 是闭的, **],(,,B b c b c A c ⊂<∈, 因*B 是闭的, *B c ∈, 从而φ≠⋂**B A , 矛盾.定义 4.1.3 若X 的子空间Y 是连通的, 则称Y 为连通子集, 否则, 称为不连通子集. 定理 4.1.3 设,,X Y B A ⊂⊂, 则B A ,是Y 的隔离集B A ,⇔ 是X 的隔离集.证 B A c Y B A c B A c X X Y ⋂=⋂⋂=⋂)()()(; 同理, A B c A B c X Y ⋂=⋂)()(.定理 4.1.4 设Y 是X 的连通子集. 如果X 有隔离子集B A ,使B A Y ⋃⊂, 则A Y ⊂ 或B Y ⊂.证Y B Y A ⋂⋂,是Y 的隔离集, 所以φ=⋂Y A , 或 φ=⋂Y B , 于是A Y ⊂ 或B Y ⊂. 定理 4.1.5 若Y 是X 的连通子集且-⊂⊂Y Z Y , 则Z 是连通的.证 若Z 不连通, X 的非空隔离集B A , 使Y B A Z ⊃⋃=, 于是A Y ⊂ 或B Y ⊂, 不妨设A Y ⊂, 那 么--⊂⊂A Y Z , 于是 φ=⋂=B Z B , 矛盾.定理 4.1.6 设τγλ∈}{Y 是空间X 的连通子集族. 如果φτγλ≠∈I Y , 则X 连通. 证 若Y τγλ∈Y 是 X 中隔离集B A ,之并, 取定φτγλ≠∈∈I Y x , 不妨设A x ∈, 则A Y ⊂∈∀γτγ,， 所以A Y ⊂∈Y τγλ，于是φ=B .定理 4.1.7 设X Y ⊂. 若X Y y x ∃∈∀,,的连通子集 Y xy 使 Y Y y x xy ⊂∈,, 则Y 连通. 证 设φ≠Y ，取定Y a ∈, 则A Y ay ⊂∈Y τγ且I τγ∈∈ay Y a , 所以Y 连通.定理 4.1.8(连续映射保持) 设Y X f →:连续. 若X 连通, 则)(X f 连通.证 若)(X f 不连通, 则)(X f 含有非空的开闭真子集A . 由于)(:X f X f →连续, 于是)(1A f -是X 的 非空开闭真子集.连续映射保持性可商性拓扑不变性.有限可积性. 对于拓扑性质 P, 要证有限可积性, 因为n X X X ⨯⨯⨯...21同胚于n n X X X ⨯⨯⨯-11..., 所以只须证: 若Y X ,具性质 P, 则Y X ⨯具有性质 P.定理 4.1.9 (有限可积性) 设n X X X ,...,,21 连通, 则n X X X ⨯⨯⨯...21连通.证 仅证若Y X , 连通, 则 Y X ⨯连通. 取定Y X y x Y X b a ⨯∈∀⨯∈),(.),( 令)}})({{(Y a y X S xy ⨯⨯=由于}{y X ⨯同胚于Y a X ⨯}{, 同胚于Y , 所以}{y X ⨯，Y a ⨯}{, 都 连通且)}({}){(),(Y a y X y a ⨯⋂⨯∈， 由定理41.6, xy S 连 通 且xy S y x ∈),(, 再 由 定 理 4.1.7}),(|{Y X y x S Y X xy ⨯∈=⨯连通.4.2 连通性的应用利用 R 连通性的证明(定理 4.1.2)知, 区间都是连通的. 区间有 9 类：无限区间 5 类：],,(),,(),,[),,(),,(b b a a -∞-∞+∞+∞+∞-∞有限区间 4 类：(a, b), [a, b), (a, b], [a, b].定理 4.2.1 设R E ⊂, 则E 连通⇔E 是区间.证 若 E 不是区间,b c a <<∃ , 使E b a ∈,但E c ∉令),(,),(+∞=⋂-∞=c B E c A 则 E 是不交的 非空开集B A , 之并.定理 4.2.2 设X 连通, R X f →:连续, 则)(X f 是 R 的一个区间.注X y x ∈,, 如果 t 介于)(x f 与)(y f 之间, 则X z ∈∃, 使t z f =)(. 事实上, 不妨设)()(y f t x f ≤≤则)()](),([X f y f x f t ⊂∈所以Xz ∈∃, 使t z f =)(. 定理 4.2.3(介值定理) 设R b a f →],[:连续, 若r 介于)(a f 与)(b f 之间, 则],[b a z ∈∃使r z f =)(.定理 4.2.4(不动点定理) 设]1,0[]1,0[:→f 连续, 则]1,0[∈z 使z z f =)(.证 不妨设 1)1(),0(0<<f f .定义R F →]1,0[:使)()(x f x x F -=, 则F 连续且 ]1,0[),1(0)0(∈<<z F F 使得0)(=z F , 即z z f =)(.定义2:R R f →为)2sin ,2(cos )(t t t f ππ=, 则f 连续且1)(S R f =, 于是1S 是连通的.对121121),(,),(S x x x S x x x ∈--=-∈=称为x 的对径点, 映射11:S S r →定义为x x r -=)(称为对径映射, 则 r 连续.定理 4.2.5(Borsuk-Ulam 定理) 设R S f →1:连续, 则1S x ∈, 使)()(x f x f -=. 证 定义R S F →1:为)()()(x f x f x F --=， 则F 连续. 若1S a ∈ , 使得)()(a f a f -≠ 则0)()(<-⋅a F a F , 由定理 4.2.2, 1S z ∈∃, 使得0)(=z F , 即)()(z f z f -=.定理 4.2.6}0{-n R 连通, 其中.)0,...,0,0(0,1nR n ∈=> 证 只证 n=2 的情形. 令})0{(]0,(}),0{(),0[-⨯-∞-⨯+∞=R B R A , 则}0{-=⋃n R B A . 由于})0{(),0[})0{(),0(-⨯+∞⊂⊂-⨯+∞R A R , 所以A 连通. 同理B 连通, 从而B A ,连通.定理 4.2.7 2R 与 R 不同胚.证 若存在同胚R R f →2:, 令R R f g R →-=-}0{:2}0{2, 则g 连续, 从而}0{})0{(22-=-R R g 连通, 矛盾.4.3 连通分支将不连通集分解为一些“最大”连通子集(“连通分支”)之并.定义 4.3.1 X y x ∈,称为连通的, 若X 的连通子集同时含y x ,, 记为y x ~. 点的连通关系~是等 价关系： z x z y y x x y y x x x ~~,~)3(;~~)2(;~)1(⇒⇔.定义 4.3.2 空间X 关于点的连通关系的每一等价类称为X 的一个连通分支.x~y ⇔x, y 属于X 的同一连通分支. X 是X 的全体连通分支的互不相交并.定理 4.3.1 设 C 是空间X 的连通分支, 则(1)若Y 是X 的连通子集且φ≠⋂C Y , 则C Y ⊂;(2)C 是连通的闭集.证 (1)取定Y y C Y x ∈∀⋂∈, 则y x ~所以 .C y ∈(2)取定X C x C c ∃∈∀∈,,的连通集),(x x Y x c Y ∈，由于C Y C Y x x ⊂≠⋂,φ，于是}|{C x Y C x ∈⋃=且}|{C x Y c x ∈⋂∈, 所以 C 是连通的. 从而 -C 连通且φ≠⋂-C C , 于是C C ⊂-, 故 C 闭. 以上说明：连通分支是最大的连通子集.连通分支可以不是开集. Q 的连通分支都是单点集, 不是Q 的开子集Q y x ∈∀,, 由定理4.2.1, 不存在Q 的连通子集同时含有y x ,,所以Q 的连通分支都是单点集 .4.4 局部连通空间例 4.4.1 (拓扑学家的正弦曲线 ) 令T S S T x x x S ⋃=-⨯=∈=1],1,1[}0{]},1,0(|)/1sin(,{(,则1S S =-, 于是 S, S 1 连通. 在 S 1 中, S 中点与 T 中点的“较小的”邻域表现出不同的连通性 .S S 1=S∪T=ST定义 4.4.1 设X x ∈若x 的每一邻域U 中都含有x 的某一连通的邻域V , 称X 在x 是局部连 通的. 空间X 称为局部连通的, 若X 在每一点是局部连通的.S 1 是连通, 非局部连通的. 多于一点的离散空间是局部连通, 非连通的.定理 4.4.1 对空间X , 下述等价:(1) X 是局部连通;(2) X 的任一开集的任一连通分支是开集;(3) X 有一个基, 每一元是连通的.证 (1)⇒(2)设 C 是X 的开集U 的连通分支. x C x ∃∈∀,的连通的邻域 U V ⊂, 于是 C V C V ⊂≠⋂,φ, 所以 C 是x 的邻域, 故 C 开.(2)⇒ (3)令 B C X C |{⊂= 是X 的开集U 的连通分支}, 则 B 是X 的基.证 y 1, y 2 f(X), x 1, x 2X 使 f(x 1)=y 1, f(x 2)=y 2,(3)⇒ (1)设U 是x 的邻域, 存在开集V 使U V x ⊂∈, 连通开集 C 使U V C x ⊂⊂∈, 所以X 局部连通.定理 4.4.2 设Y X f →:是连续开映射. 若X 局部连通, 则)(X f 局部连通.证 )(X f y ∈∀, 及 y 在)(X f 中的邻域U , 取)(1y fx -∈, 则 0(1U f -是x 的邻域, X 的连通开集V 使)(1U f V x -⊂∈, 于是 U V f x f y ⊂∈=)()(.定理 4.4.3 局部连通性是有限可积性, 即设n X X X ,...,,21局部连通, 则n X X X ⨯⨯⨯...21局部连通.证 仅证若21,X X 局部连通, 则21X X ⨯局部连通. 设 B 1, B 2 分别是21,X X 的由连通开集组成的基, 则{ 121|B B B ⨯ ∈B 1, ∈2B B 2}是21X X ⨯的由连通开集组成的基(定理 3.2.4).4.5 道路连通空间定义 4.5.1 设X 是拓扑空间, 连续映射 X f →]1,0[:称为X 中的一条道路,)1(),0(f f 分别称为f 的起点和终点, f 称为从)0(f 到)1(f 的一条道路,])1,0([f 称为X 中的一条曲线. 若)1()0(f f =, f 称为闭路.定义 4.5.2 对空间X , 如果X X y x ∃∈∀,, 中从x 到y 的道路, 则称X 是道路连通的. 类似可定义道路连通子集.R 是道路连通的, R y x ∈∀,, 定义R f →]1,0[:为ty x t t f +-=)1()(.定理 4.5.1 道路连通⇒连通.证 设 X 道路连通. X X y x ∃∈∀,,中从x 到y 的道路X f →]1,0[:, 这时])1,0([f 是X 中含y x ,的连通子集, 所以X 连通.拓扑学家正弦曲线 S 1 是连通, 非道路连通的空间.定理 4.5.2 设Y X f →:连续. 若X 道路连通, 则)(X f 道路连通.证X x x X f y y ∈∃∈∀2121,),(,使)(),(2211x f y x f y ==，存在道路X g →]1,0[: 使21)1(,)0(x g x g ==, 则 f ◦g: [0, 1]→ Y 是 f(X)中从1y 到2y 的道路.定理 4.5.3 道路连通性是有限可积性.证 仅证若21,X X 是道路连通, 则21X X ⨯道路连通.212121),(),,(X X y y y x x x ⨯∈==∀, 则存在道路21]1,0[:X X f i ⨯→使i i i i y f x f ==)1(,)0(，定义21]1,0[:X X f ⨯→为))(),(()(21t f t f t f =, 则 f 是从 x 到 y 的道路.可引进局部道路连通空间的概念. 同时, 与连通分支类似 , 可建立道路连通分支: 空间中最大的道路连通子集.第五章 可数性公理本章主要介绍 4 种与可数性相关的拓扑性质, 它们与度量空间性质、下章要讨论的分离性公 理都是密切相关的. 本章的要点是给出它们之间的基本关系.教学重点：第一与第二可数性公理；教学难点：分离性公理.5.1 第一与第二可数性定理第二章介绍的空间的基, 在生成拓扑空间, 描述局部连通性, 刻画连续性等方面都发挥了积 极的作用. 较少的基元对于进一步讨论空间的属性是重要的.定义 5.1.1 若X 有可数基, 称X 满足第二可数(性)公理, 或是第二可数空间, 简称2A 空间. 定理 5.1.1 . 2A R ⇒证 令 B },|),{(Q b a b a ∈=, 定理 2.6.2, B 是 R 的可数基. 离散空间X 具有可数基X 是可数集.下面讨论“局部基”性质. (定义 2.6.3)对X x ∈, 设 U x 是x 的邻域系, 若 V x ⊂U x 满足: ∈∀U U x , ∈∃V V x 使U V ⊂, 则称 V x 是 x 的邻域基, 若更设 V x 中每一元都是开的, 则称 V x 是 x 的开邻域基或 局部基. 易验证, (1) 若 V x 是x 在X 的邻域基, 则∈V V o |{V x }是x在 X 的局部基; (2)(定理 2.6.7) 若 B 是空间X 的基, X x ∈ , 则 B x ∈=B {B }B x ∈是x 的局部基.定义 5.1.2 若X 的每一点有可数邻域基, 称X 满足第一可数(性)公理, 或是第一可数空间, 简 称1A 空间.定理 5.1.2 度量空间1A ⇒.证}|)/1,({+∈=Z n n x B B x 是x 的可数邻域基.。

度量空间与连续映射2章第它们的定义域和值域从数学分析中已经熟知单变量和多变量的连续函数，都是欧氏空间（直线，平面或空间等等）或是其中的一部分．在这一章中我们将连续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，然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）．随给出拓扑空间和拓扑空间之间的连续映射（参见§2.2）．后将两者再度抽象，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．度量空间与连续映射§2.1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．应细细体会证明的方法．注意，在本节的证明中,R→Rf：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，使＞00，存在实数δ∈R称为在点处是连续的，如果对于任意实数ε＞|x-得对于任何x∈R，当|f(x)-f()|<ε.在这个定义中只涉及时|<δ,有两个实数之间的距离（即两个实数之差的绝对值）这个概念；为了验证一个函而与实数的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，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，z∈X，，xy是一个集合，定义2.1.1 设Xρ：X×X→R．如果对于任何有页40 共** 页1 第（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．）维欧氏空间．例2.1.2 n对于实数集合R的n重笛卡儿积＝R×R×…×R（）x=×→R如下：对于任意ρ定义,： y=，令）＝y xρ（，页40 共* 页2 第是的一个度量，因此偶容易验证（详见课本本节最后部分的附录）ρ，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．对这里定，称为义的度量ρ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)|<∞} ＝ {x=(H定义ρ如下：对于任意＝（）∈H），yx ＝（(x,y)= 令ρ（即验证<∞）以及验证ρ是说明这个定义是合理的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 x∈X，存在一个实数＞0使得ρ（的一个离散度量，如果对于每一个x，y） y∈X，x≠y，成立．＞对于任何页40 共** 页3 第例如我们假定X是一个集合，定义ρ：X×X→R使得对于任何x，y∈X，有(x,y)=ρ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}），或，称为一个以x为中心以ε为半径的球形邻记作B（x，ε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．页40 共* 页4 第，）是x∈XB（x (2)如果B（x的两个球形邻域，任意选取实，）和数}min{ ，则易见有ε＞0，使得ε＜，）∩B（x，））B （x，εB（x 即B（x，ε）满足要求．）．显然．＞0．如果xρ（，yz∈B，（3）设y∈B（xε＝）．令ε-，），则（y ）＜xy，）+ρ）+ρ（y，x=ε（（（z，x）≤ρz，yρ，y）ε）．这证明B（εB（x，）．，所以z∈B（x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}页40 共** 页5 第却不是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：本身和空集都是开集；X （1）集合（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 满足开集的条件；空集X中不包含任何一个点，也自然地可以认为中，所以它满足开集的条件．的一个球形邻x如果x∈U∩V，则存在U设和V是X中的两个开集．（2）．根据V，的一个球形邻域B（x）包含于域B（x，）包含于U，也存在x ，（xε）同时包含于BB（2），x有一个球形邻域（x，）和B定理2.1.1，），因此（x，）U∩V B（x，B（x，）∩B（xε）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．页40 共* 页6 第中的开集构成的子集族．如果，则存在是一个由X3）设*Α（A有一个球形邻域包含于是一个开集，所以由于∈*x使得，显x∈然这个球形邻域也包含于中的一个开集．．这证明是X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∈VU，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∈VU，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．页40 共** 页7 第f(如果对于)是两个度量空间，f:X→Y，∈X以及定义2.1.5 设X和Y （ε），，存在δ的某一个球形邻域B），的任何一个球形邻域B（f(),），则称映射在点处是连续的．（)，δ）），εB（使得f(Bf（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．因为如果在点f处连续，可以说成：和Y设ρ中的度量，则和分别是度量空间X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，x∈B （,δ）便有）＜δ（即f(f(x)∈B（.（即(f(x),f())ε））．＜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．以及∈X．X→Y则下述条件Y是两个度量空间，f：和定理2.1.4 设X：和（*2）*（1）和（2）分别等价于条件（1））f处是连续的；在点（1的每一个邻域的原象是的一个邻域；（1）*f( )（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．（）的一个邻域．根令U为f成立．1）蕴涵（）*：设（1）1证明条件（），ε）包含于B（fU（．由于f）有一个球形邻域2.1.3据定理，f（处是连续的，所以在点有一个球形邻域（（BfBεB（fB）），δ（（），）．然而，（（）使得，δf 页40 共* 页8 第），所以（），εU）（）是）B），这证明（（U（U的一个邻域．，δ（f1）*成立．任意给定）的一个邻条件（1）*蕴涵（1）．设条件（，根据定理2.1.3是（的一个邻域．f()，ε域B（εf(),），）则（B ）包含于δ（，有一个球形邻域B （）．f），ε（B（（f（B在点处连续．因此，δ））B（f（），ε）．这证明f中的一个开集，为Y*．设条件（2）成立．令V2条件（）蕴涵（2）是一个开集，所Vx）∈V．由于）．对于每一个x∈U，我们有f（U（＝VxU是1）*，）的一个邻域．由于以V是f（xf在每一点处都连续，故根据（由U＝∪x∈UUx．U．易见Ux的一个邻域．于是有包含x的某一个开集Ux使得 U是一个开集．都是开集，根据定理2.1.2，于每一个Ux）的x是f（2）*成立，对于任意x∈X，设U条件（2）*蕴涵（2）．设（根．U）（（的一个开集x）V U．从而Vx∈）f一个邻域，即存在包含（x的一个邻域，对于U据条件（2）*，（V）是一个开集，所以）是x（是任意选取的，所以处连续．由于点x在点*成立，于是fx）而言，条件（1 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）建立拓扑空间和拓扑空间之间的连续映射的概念性质（定理2.1.2作业：P47 1.2.3.4.页40 共** 页9 第拓扑空间与连续映射§2.2:本节重点. 并在此空间上建立起来的连续映射的概念拓扑与拓扑空间的概念,: 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．ττ满足如下X是一个集合，定义2.2.1 设X的一个子集族．如果是条件：τ∈（；lX），Tτ；（2）若A，B∈A∩B∈，则（3）若τ是X的一个拓扑．则称ττ）是一个拓扑空间，或X如果，是集合X的一个拓扑，则称偶对（τT是一个相对于拓扑而言的拓扑空间；此外称集合的每一个元素都叫做Xττ．即：A∈A是开集.）或（开集XX拓扑空间（，）中的一个（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．页40 共* 页10 第现在首先将度量空间纳入拓扑空间的范畴．中的所有开集构为由ρ）是一个度量空间·令定义X2.2.2 设（X，的一个拓扑．我们称2.1.2）是，（X 为成的集族．根据定理，X的X由．此外我们约定：如果没有另外的说明，我们提到度度量ρ诱导出来的拓扑）的拓扑时，指的就是拓扑；在称度量空间（X，X，ρρ）为拓扑量空间（空间时，指的就是拓扑空间（X，）空），HilbertR因此，实数空间，n维欧氏空间（特别，欧氏平面间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．TT是X，}．容易验证，设X是一个集合．令的一个拓扑，称之为 ={X T）为一个平庸空间．在平庸空间（；并且我们称拓扑空间（X，X，的X平庸拓扑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．TP（X），即由XX是一个集合．令 =的所有子集构成的族．容易验证，设TT）为一X；并且我们称拓扑空间（，的一个拓扑，称之为X的离散拓扑是X T）中，X的每一个子集都是开集．在离散空间（X，个离散空间.T ={，{a}，{a，b}，{a，{a，bc}．令，b，c}}．＝2.2.3 例设X TT）是一个拓扑空间．这个拓扑X的一个拓扑，因此（，容易验证，是X空间既不是平庸空间又不是离散空间．页40 共** 页11 第例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X|T ={U 的一个有限子集}∪{是X}T是X的一个拓扑：先验证；另外，根据定义便有∈T．）X∈T (因为 =)（1T如果A和B之中有一个是空集，则A∩B∈T,假定A（2）设A，B∈和B T ．的一个有限子集，所以A∩B∈是都不是空集．这时X,显然有）设（3．令，则如果X任意选取．这时是设的一个有限子集，所以P是X的一个拓扑，称之为3），X的有限补拓根据上述（1），（2）和（P）称为一个有限补空间．，扑．拓扑空间（X例2.2.5 可数补空间．设X是一个集合．令T 的一个可数子集}∪{X}={U X|是T 是X2.2.4通过与例中完全类似的做法容易验证（请读者自证）的一个T ）称为一个可数补空间．，的可数补拓扑．拓扑空间（拓扑，称之为XX页40 共* 页12 第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？P使）是一个拓扑空间．如果存在X的一个度量设（X，ρ定义2.2.3PP）是一个ρ诱导出来的拓扑可度量化空，则称（得拓扑X，即是由度量间．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？每一个只含有限个点的度量空间作为拓扑可以看出，和从§2．1中的习题23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，它肯定不是中给出的那个空间只含有三个点，2.2.3离散空间，因此它不是可度量化的；例拓扑空间是比可度量空间的但不是离散空间，也不是可度量化的．由此可见，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？这范围要广泛．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．U定义2.2.4 是两个拓扑空间，f:X→Y．如果中每一个开集Y设X和Y的一个连续映射，或简称Xf是中的一个开集，则称X到Y（的原象U）是映射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）页40 共** 页13 第但所指出的却是连续映射的最重要的下面的这个定理尽管证明十分容易，性质．都是拓扑空间．则，Y和ZX定理2.2.1 设是一个连续映射；1:X→X）恒同映射：（也是连续映射．和g:Y→Z都是连续映射，则gof:X→Z（2）如果f:X→Y l连续．），所以证明（）设2f:X→Y,g:Y →Z都是连续映射（连续．这证明gof如在线性代数中我们考在数学科学的许多学科中都要涉及两类基本对象．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．并且对于后群论中的同构，者都要提出一类来予以重视，例如线性代数中的（线性）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．是一个—一映射，f：X→Y Y设X和是两个拓扑空间．如果2.2.5 定义和f是一个同胚映射或同胚．都是连续的，则称：Y→X并且f定理2.2.2 设X都是拓扑空间．则Y和Z，：X→X）恒同映射（1是一个同胚；）如果f：X→Y（：Y→X也是一个同胚；2是一个同胚，则页40 共* 页14 第：X→Z也是一个同胚．：Y→Z都是同胚，则gof（3）如果f：X→Y和g 2.2.1，定理证明以下证明中所涉及的根据，可参见定理．5．4．．53和定理1．l是一个—一映射，并且（l是同胚．），都是连续的，从而是一个—一映射，并且f和）设f：X→Y是一个同胚．因此f都（2也都是连续的，也是一个—一映射并且是连续的．于是和所以也是一个同胚．，f都是—一映射，并且因此f和gf）设：X→Y和g：Y→Z都是同胚．（3和且gof射，并—因此gof也是一映，g续和都是连的． gof是一个同胚．都是连续的．所以：X→Y，则f和Y是两个拓扑空间．如果存在一个同胚设定义2.2.6 X ．同胚于YX是同胚的，或称X与Y同胚，或称X称拓扑空间与拓扑空间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．都是拓扑空间．则和Z设X，Y定理2.2.3X同胚；1）X与（同胚；Y与X同胚，则（2）如来X与Y Z同胚．同胚，则与ZX与同胚，）如果（3X与YY 2.2.2直接得到．证明从定理在任意给定的一个由拓扑空间组成的族中，我们可以说：根据定理2.2.3，因而同胚关系将这个拓扑空两个拓扑空间是否同胚这一关系是一个等价关系．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．页40 共** 页15 第，如果为某一个拓扑空间所具有，则必为与其同胚P拓扑空间的某种性质．换言之，拓拓扑不变性质的任何一个拓扑空间所具有，则称此性质P是一个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在数学的发展过程中对所研究的问题不断地加以抽象这段时期才完成的工作．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（或其中的某也正因为如此，是一个去粗取精的过程．一个方面）的精粹而进行的一次提升，新的概念和理论往往有更多的包容．一方面它使我们对“空间”和“连续”有更为纯正拓扑学无疑也是如此，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）．页40 共* 页16 第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．P)是一个拓扑空间，x∈X．如果U是X的一个子集，定义2.3.1 设（X，P使得x∈VU，则称U满足条件：存在一个开集V∈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．是空集，以下证明充分性．如果U证明定理中条件的必要性是明显的． U ≠．根据定理中的条件，当然U是一个开集．下设使得故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．页40 共** 页17 第是一个拓扑空间．记为点x∈XX的邻域系．则：定理2.3.2 设U∈x∈X，；并且如果≠，则（1）对于任何x∈U；U ∩V∈，V∈ U，则；（2）如果V∈并且U； V （3）如果，则U∈V∈满足条件：(a)VU和，则存在(b) （4）如果对于任何U∈ V ∈．y∈V，有P且由定义,∴X∈证明（1）,∴,≠如果 X,X∈，则x∈UU∈PP和使得∈则存在设2（）U，V∈．U．和∈ T,∴U∩V∈成立．从而我们有, U∈，并且设3（）P．V满足条件已经满足条件（a），根4（）设U∈．令V∈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P子集族x ∈X，个拓扑T使得对于每一点在拓扑空间恰是点x（X，)中的邻域系．(证明略)页40 共* 页18 第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．如果的原象（U）是Ux∈X的一个邻域，则称映射ff（x）∈Y的每一个邻域是一个在点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）恒同映射：X→X在每一点x∈X（1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．页40 共** 页19 第x处连续．充分性：设对于每一点x∈X，映射f在点f连续．这就证明了作业: ,掌握证明一个映射是否连续的方法．掌握证明一个子集是邻域的方法§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，AX．如果点x∈X的每一个邻域U ，则称点xx中异于的点，即U∩（A-{x}是集合）≠A的一个凝聚中都有A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＝，）U ∩（A-{x}使得即存在x果x∈A并且不是A的凝聚点，x的一个邻域U 的一个孤立点．为Ax则称):(牢记即页40 共* 页20 第在上述定义之中，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，）＝． d（A从而A的导集是空集，即2.4.2 例平庸空间中集合的凝聚点和导集．是X中的一个任意子集．我们分三种情形讨论：设X是一个平庸空间，A A显然没有任何一个凝聚点，亦即第1种情形：．这时A=．（可以参见定理2.4.1中第（d（A）l=）条的证明．）。

点集拓扑学》第一章集合论初步本章介绍有关集合论的一些基本知识．从未经定义的“集合”和“元素”两个概念出发，给出集合运算、关系、映射以及集合的基数等方面的知识．至于选择公理，只是稍稍提了一下，进一步的知识待到要用到时再阐述．旨在不会过早地陷入繁难的逻辑困惑之中。

这里所介绍的集合论通常称为“朴素的集合论”，如果对集合的理论有进一步的需求，例如打算研究集合论本身或者打算研究数理逻辑，可以去研读有关公理集合论的专著．文档收集自网络，仅用于个人学习即令就朴素集合论本身而言，我们也无意使本章的内容构成一个完全自我封闭的体系，主要是我们没有打算重建数系，而假定读者了解有关正整数，整数，有理数，实数的基本知识，以及其中的四则运算，大小的比较（V和w）,和实数理论中关于实数的完备性的论断何由实数构成的集合有上界必有上确界）等，它们对于读者决不会是陌生的．此外，对于通常的（算术）归纳原则也按读者早已熟悉的方式去使用，而不另作逻辑上的处理．文档收集自网络，仅用于个人学习§1.1 集合的基本概念集合这一概念是容易被读者所理解的，它指的是由某些具有某种共同特点的个体构成的集体．例如我们常说“正在这里听课的全体学1 / 24生的集合”，“所有整数的集合”等等.集合也常称为集，族，类. 文档收集自网络，仅用于个人学习集合（即通常所谓的“集体”）是由它的元素（即通常所谓的“个体”构成的.例如正在这里听课的全体学生的集合以正在听课的每一个学生为它的元素；所有整数的集合以每一个整数为它的元素.元素也常称为元，点，或成员. 文档收集自网络，仅用于个人学习集合也可以没有元素.例如平方等于2的有理数的集合，既大于1 又小于2的整数的集合都没有任何元素.这种没有元素的集合我们称之为空集，记作.此外，由一个元素构成的集合，我们常称为单点集.文档收集自网络，仅用于个人学习集合的表示法：（1）用文句来描述一个集合由哪些元素构成（像前面所作的那样），是定义集合的一个重要方式.（2）描述法：我们还通过以下的方式来定义集合：记号｛x|关于x的一个命题P｝表示使花括号中竖线后面的那个命题P成立的所有元素x构成的集合.例如，集合｛x|x为实数，并且0V X V1｝即通常所谓开区间（0，1）.在运用集合这种定义方式时有时允许一些变通，例如集合｛「二是实数｝便是集合「「「，其中x是实数｝的简略表示，不难明白这个集合实际上是由全体非负实数构成的.集合表示方式中的竖线“ |”也可用冒号“：”或分号“；”来代替. 文档收集自网络，仅用于个人学习（3）列举法：也常将一个集合的所有元素列举出来再加上花括号以表示这个集合.例如｛：〔、｝表示由元素\ 构成的集合.如果确实不至于发生混淆，在用列举的办法表示集合时容许某种省略. 例如，有时我们可以用｛1 , 2, 3,…｝表示全体正整数构成的集合，用｛1 , 3,厶，…｝表示全体正奇数相成的集合.但我们并不鼓励这种做法，因为后面的规律不是很清楚，容易产生误解.我们再三提请读者注意：不管你用任何一种方式定义集合，最重要的是不允许产生歧义，也就是说你所定义的集合的元素应当是完全确定的. 文档收集自网络，仅用于个人学习在本书中，我们用：「表示全体正整数构成的集合，称为正整数集；Z表示全体整数构成的集合，称为整数集；Q表示全体有理数构成的集合，称为有理数集；R表示全体实数构成的集合，称为实数集；并且假定读者熟知这些集合.以下是一些常用的记号：€ :表示元素与集合的关系，如：x € X，x € ｛x｝等一：表示集合与集合的关系，如：A_B （等价于宀「丄（这个记号即是通常数学课本中的—）-:表示与上述相反的含义.3 / 24=:表示两个集合相等，如：A=B （等价于—一 :）以下的这个定理等价于形式逻辑中的相应命题，从直觉着去看也是自明的.定理1.1.1 设A, B, C都是集合，则(I ) A= A;(2)若A= B,则B= A;(3)若A= B, B=C 则A= C.定理1.1.2 设A, B, C都是集合，则(I ) A_A；(2)若A_B, B_A，贝S A= B;(3)若A_B, B_C,贝S A_C.证明(I )显然.(2)A_B意即：若x€ A,贝S x€ B；B_ A意即：若x€ B,则x€ A.这两者合起来正好就是A= B的意思.(3)x € A.由于A_ B,故x € B;又由于B _C,从而x€ C.综上所述，如果x€A就有x€ C.此意即A—C.因为空集二不含任何元素，所以它包含于每一个集合之中.由此我们可以得出结论：空集是惟一的.设A, B是两个集合.如果A—B,我们则称A为B的子集;5 / 24如果A是B的子集，但A又不等于B,即A_B, A M B,也就是说A的每一个元素都是B的元素，但B中至少有一个元素不是A的元素，这时，我们称A为B的真子集. 文档收集自网络，仅用于个人学习我们常常需要讨论以集合作为元素的集合，并且为了强调这一特点，这类集合常称为集族.例如，A二{{1},{1,2},{1,2,3}} 是一个集族.它的三个元素分别为：{1},{1,2},{1,2,3} 及二. 文档收集自网络，仅用于个人学习设X是一个集合，我们常用P(X)表示X的所有子集构成的集族，称为集合X的幕集.例如，集合{1,2}的幕集是P={{1},{1,2},{2}, : }.文档收集自网络，仅用于个人学习本章中所介绍的集合论是所谓“朴素的”集合论.在这种集合论中，“集合”和“元素”等基本概念均不加定义而被认作是自明的. 正因为如此，历史上曾经产生过一些悖论.而对于绝大多数读者来说了解朴素的集合已是足够的了，只是要求他们在运用的时候保持适当的谨慎，以免导致逻辑矛盾.例如，我们应当知道一个集合本身不能是这个集合一个元素.即：若A是集合则A€A不成立.这一点是容易理解的.例如，由一些学生组成的一个班级决不会是这个班级里的一名学生.因此，我们不能说“所有集合构成的集合”，因为如果有这样一个“集合”的话，它本身既是一个集合，就应当是这个“所有集合构成的集合”的一个元素了.也因此，我们应当能够了解一个元素a和仅含一个元素a的单点集{a}是两回事，尽管我们有时为了行文的简便而在记号上忽略这个区别. 文档收集自网络，仅用于个人学习作业:掌握集合、元素的概念、表示法熟练区分“€”与“ 的意义§ 1.2 集合的基本运算在这一节中我们介绍集合的并、交、差三种基本运算，这三种运算的基本规律，以及它们与集合的包含关系之间的基本关联. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义1.2.1 设A与B是两个集合.集合｛x|x €A或x€ B｝称为集合A与集合B的并集或并，记作AUB 读为A并B.集合｛x|x €A且x€ B｝称为集合A与集合B的交集或交，记作A A B, 读为A交B.若A A B二二，则称集合A与集合B无交或不相交；反之，若A AB M二，则称集合A与集合B有(非空的)交. 文档收集自网络，仅用于个人学习集合｛x|x €人且x^B｝称为集合A与集合B的差集，记作A\B或A —B，读为A差B，或A减B.关于集合的并、交、差三种运算之间，有以下的基本规律.定理1.2.1 设A, B, C都是集合.则以下等式成立：(1)幕等律A U A= A7 / 24A n A=A(2)交换律A U B=B UA A n B=Bn A(3)结合律(A U B) U C= A U (B U C)(A n B) n C= A n (B n C)(4)分配律(A n B) U C= (A U C)n (B U C)(A U B) n C= (A n C)U (B n C)(5)DeMonganf聿A-(BUC)二((A- B) n (A-C)A-((B n C)= (A-B)U(A-C)集合的并、交、差三种运算与集合间的包含关系之间有着以下基本关联.定理1.2.2 设A, B是两个集合.下列三个条件等价：(I ) A_B；(2)A n B= A；(3)A U B= B.定义1.2.2 设X是一个基础集.对于X的任何一个子集A,我们称X-A为A (相对于基础集X而言)的补集或余集记作匸. 文档收集自网络，仅用于个人学习我们应当提醒读者，补集匚的定义与基础集的选取有关.所以在研究某一个问题时，若用到补集这个概念，在整个工作过程中基础集必须保持不变. 文档收集自网络，仅用于个人学习定理123 设X是一个基础集.若A, B为X的子集，则A\J A = XMrUSSM = =A以上证明均只须用到集合的各种定义，此处不证，略去.作业:熟记这两节的各种公式掌握证明两个集合A=B与A_ B的基本方法AuE 0 Yxexe B（£= B O 虫匸匸A）§ 1.3 关系我们从前在数学的各种科目中学过诸如函数、次序、运算，以及等价等种种概念，它们的一个共同的特点在于给出了某些给定集合的元素之间的某种联系.为了明确地定义它们，我们先定义“关系”，而为了定义关系，又必需先有两个集合的笛卡儿积这个概念. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义1.3.1 设X和Y是两个集合.集合{ （x，y）|x € X，y€ Y}9 / 24称为X与丫的笛卡儿积，记作X X Y,读为X叉乘Y.其中（x , y）是一个有序偶，x称为（x, y）的第一个坐标，y称为（x, y）的第二个坐标.X 称为X XY的第一个坐标集，丫称为X XY的第二个坐标集.集合X与自身的笛卡儿积X XX称为X的2重（笛卡儿）积,通常简单记作［.文档收集自网络，仅用于个人学习有点儿不幸的是我们用于有序偶的记号和用于“开区间”的记号是一样的，有时容易混淆.因此在可能发生混淆的情形下应当加以说明，以避免误解. 文档收集自网络，仅用于个人学习给定两个集合，通过取它们的笛卡儿积以得到一个新的集合，这个办法对于读者并不陌生.以前学过的数学中通过实数集合构作复数集合，通过直线构作平面时，用的都是这个办法. 文档收集自网络，仅用于个人学习我们应当注意，一般说来集合X与集合丫的笛卡儿积X XY完全不同于集合丫与集合X的笛卡儿积Y X X.定义133 设X,Y是两个集合.如果R是X与丫的笛卡儿积X XY 的一个子集，即R—X X 丫，则称R是从X到丫的一个关系. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义1.3.4 设R是从集合X到集合丫的一个关系，即R- X X Y.如果（x , y）€ R,则我们称x与y是R相关的，并且记作xRy.如果A_X，则丫的子集文档收集自网络，仅用于个人学习{y € Y|存在x€A使得xRy}称为集合A对于关系R而言的象集，或者简单地称为集合A的象集，或者称为集合A的R象，并且记作R( A), R( X)称为关系R的值域.文档收集自网络，仅用于个人学习关系的概念是十分广泛的.读者很快便会看到，以前在另外的数学学科中学过的函数(映射)，等价，序，运算等等概念都是关系的特例.这里有两个特别简单的从集合X到集合丫的关系，一个是X XY 本身，另一个是空集二请读者自己对它们进行简单的考查. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义135 设R是从集合X到集合丫的一个关系，即R_X X 丫这时笛卡儿积Y XX的子集{ (y，X)€ Y X X|xRy}是从集合Y到集合X的一个关系，我们称它为关系R的逆，并且记作如果B_Y，X的子集丄」(B)是集合B的.「象,我们也常称它为集合B对于关系R而言的原象，或者集合B的R原象.特别，关系£ ' 的值域；-(Y)也称为关系R的定义域. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义136 设R是从某个X到集合Y的一个关系，即R- X X Y，S 是从集合y到集合Z的一个关系，即S_Y X乙集合{ (x，z)€ X X Y| 存在y€Y 使得xRy并且ySz}是笛卡儿积X XZ的一个子集，即从集合X到集合Z的一个关系，此关系称为关系R与关系S的复合或积，记作S R.文档收集自网络，仅用于个人学习11 /24定理1.3.1 设R是从集合X到集合Y的一个关系，S是从集合Y 到集合Z的一个关系，T是从集合Z到集合U的一个关系.贝心文当收集自网络，仅用于个人学习(1) = R(2) (5 o/?)-1=R-}O S A证明(略)定理132 设R是从集合X到集合Y的一个关系，S是从某个Y到集合Z的一个关系.则对于X的任意两个子集A和B，我们有：文档收集自网络，仅用于个人学习(1)R (A U B)= R (A)U R ( B);(2)R (A A B) _ R (A)A R (B);(3)( SR)( A)= S(R(A)).证明(略)在本节的最后我们要提到有限个集合的笛卡儿积的概念，它是两个集合的笛卡儿积的概念的简单推广.定义137 设忙是n > 1个集合.集合{(*1周■咼)丨*1 €才［內E Ai E "J称为為・爲3“扎的笛卡儿积，并且记作亠二=；或者"」其中J丄」为有次序的n元素组，I(i=1,2,…n)称为n元素组：二-的第i个坐标，…(i = 1，2，…，n)称为笛卡儿积二……的第i个坐标集. 文档收集自网络，仅用于个人学习n> 1个集合X的笛卡儿积X X X X…XX常简单地记作n 个集合的笛卡儿积的概念读者必然也不会感到陌生，在线性代数中n 维欧氏空间作为集合而言就是n 个直线（作为集合而言）的笛卡儿积．文档收集自网络，仅用于个人学习需要提醒读者的是，如果你在给定的n 个集合中交换了集合的次序，一般说来得到的笛卡儿积会是完全不同的集合．至今我们并未定义“0个集合的笛卡儿积”，此事将来再以某种方式补充．（参见§ 9．1）文档收集自网络，仅用于个人学习作业:理解“关系”的概念, 掌握“关系”与“映射”的异同,“映射” 与“函数”的异同.（映射要求象惟一,关系没要求.函数要求定义域与值域是数域, 而映射不一定）文档收集自网络，仅用于个人学习掌握运算乘积的概念与性质掌握集合的笛卡儿积中元素的形式§1.4 等价关系初等数论中的同余类的概念，群论中的商群的概念，乃至于解析几何中的自由向量的概念等等都是读者所熟知的．这些概念的精确定义事实上都有赖于本节中所讨论的等价关系的概念．在本书中我们将通过等价关系来定义拓扑空间的商空间．文档收集自网络，仅用于个人学习13 /24定义1.4.1 设X是一个集合.从集合X到集合X的一个关系将简称为集合X中的一个关系.集合X中的关系{ (x, x) |x € X}称为恒同关系，或恒同，对角线，记作△( X)或△. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义142 设R是集合X中的一个关系.关系R称为自反的，如果厶(X) _R,即对于任何x€ X,有xRx;关系R称为对称的，如果, 即对于任何x, y € X,如果xRy则yRx;关系R称为反对称的，如果丄：厂-」，即对于任何x, y € X, xRy和yRx不能同时成立；关系R 称为传递的，如果R「R_R,即对于任何x, y, z€ X,如果xRy, yRz, 贝y有xRz.文档收集自网络，仅用于个人学习集合X中的一个关系如果同时是自反、对称和传递的，则称为集合X 中的一个等价关系.容易验证集合X中的恒同关系△( X)是自反、对称、传递的，因此是X中的一个等价关系.集合X的幕集RX)中两个元素(即集合X的两个子集)之间的“相等关系”可以理解为集合RX) x RX)的子集文档收集自网络，仅用于个人学习{ (A, B) |A , B€ RX) , A=B}从定理1.1.1中可见，它是自反、对称、传递的，因此是P (X) 中的一个等价关系.集合X的幕集RX)中两个元素(即集合X的两个子集)之间的“包含关系”可以理解为集合P(X)x P(X)的子集文档收集自网络，仅用于个人学习{ (A, B) |A , B€ P (X) , A_B}根据定理1.1.2可见，它是自反的、传递的，但容易知道它不是对称的，因此不是RX)中的一个等价关系. 文档收集自网络，仅用于个人学习集合X的幕集RX)中两个元素(即集合X的两个子集)之间的“真子集关系”可以理解为集合P(X) x P(X)的子集文档收集自网络，仅用于个人学习{(A , B)|A , B€ P(X) , A_B,A M B}根据定理1.1.3可见，它是反对称的，传递的，但它不是自反的，因而不是P(X)中的一个等价关系.实数集合R中有一个通常的小于关系V，即R XR的子集{ (x，y) |x，y€ R, x V y}容易验证关系V是反对称的，传递的，但不是自反的.设p是一个素数，我们在整数集合Z中定义一个关系三p如下：-={ (X，y)€ Z x Z|存在n€Z 使得x-y=np}关系常称为模p等价关系，容易验证模p等价关系；是自反的，对称的，传递的，因此是Z中的一个等价关系.定义143 设R是集合X中的一个等价关系.集合X中的两个点x，y，如果满足条件：xRy，则称x与y是R等价的，或简称为等价的；对于每一个x€ X，集合X的子集：{y € X|xRy}称为x的R等价类或等价类，常记作或［x］，并且任何一个y €都称为R等价类的一个代表元商集，记作X/ R. 文档收集自网络，仅用于个人学习素；集族{ x€ X}称为集合X相对于等价关系R而言的商集，记作X/ R. 文档收集自网络，仅用于个人学习我们考虑整数集合Z中的模2等价关系1,易见，1^3和2【8.因此1与3是【等价的，2和8也是1等价的.整数2所属的等价类是所有偶数构成的集合，每一个偶数都可以叫做这个等价类的一个代表元素.此外易见，商集Z/三1有且仅有两个元素：一个是所有奇数构成的集合，另一个是所有偶数构成的集合. 文档收集自网络，仅用于个人学习下面这个定理说明，给定了一个等价关系，等于说给定了一个分类的原则，把一个非空集合分割成一些非空的两两无交的等价类，使得这集合的每一个元素都在某一个等价类中.文档收集自网络，仅用于个人学习定理1.4.1 设R是非空集合X中的一个等价关系.贝心(1)如果x € X，则x € ，因而1厂「；(2)对于任意x，y€ X，或者〔山』儿，或者[心门[/]汀0证明(1)设x€ X，由于R是自反的，所以xRx，因此x€,二工J .文档收集自网络，仅用于个人学习(3)对于任意x，y € X，如果，设z € [x] A [y].此时有zRx,且zRy.由于R是对称的，所以xRz.又由于R是传递的，所以xRy.文档收集自网络，仅用于个人学习对于任何一个t €「丄，有tRx，由上述xRy和R的传递性可见tRy，即t € " 一：.这证明二_、5.同理可证二_—因此-^ =?(注意：要证或者…或者…，应从以下入手：否定掉一个，去证另一个)17 / 24在初等数论中我们早就知道整数模（素数）p的等价关系J将整数集合Z分为互不相交的等价类，每一个等价类记作，称为整数x的模p同余类. 文档收集自网络，仅用于个人学习让我们再回忆一下在解析几何学中定义自由向量的过程：首先将固定向量定义为平面（或n维欧氏空间）中的有序偶；然后在全体固定向量构成的集合（暂时记为X）中定义一个关系~,使得两个固定向量x和y~相关（即x~y）当且仅当x能通过平面（或n维欧氏空间）的一个平移与y重合.容易验证这个关系〜是X中的一个等价关系.每一个~等价类便称为一个自由向量. 文档收集自网络，仅用于个人学习作业：熟练掌握等价关系，等价类的概念.掌握商集的概念.明确商集的构成§ 1.5 映射数学分析中的函数概念，群论中的同态概念，线性代数中的线性变换概念等等都是读者所熟知的概念.这些概念的精确定义事实上都有赖于本节中所讨论的映射概念. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义1.5.1 设F是从集合X到集合Y的一个关系.如果对于每一个x€X存在惟一的一个y €Y使得xFy,则称F是从X到Y的一个映射，并且记作F: X-Y.换言之，F是一个映射，如果对于每一个x€ X:文档收集自网络，仅用于个人学习(1)存在y € Y,使得xFy;(2)如果对于€Y有二L和”1 ,则■' _.定义1.5.2 设X和Y是两个集合，F: X-Y(读做F是从X到Y的一个映射).对于每一个x€ X,使得xFy的唯一的那个y€Y称为x的象或值，记作F (x);对于每一个y€ Y,如果x€X使得xFy (即y是x的象)，则称x是y的一个原象(注意：y€Y可以没有原象，也可以有不止一个原象). 文档收集自网络，仅用于个人学习由于映射本身便是关系，因此，如果F是从集合X到集合丫的一个映射，那么：(1)对于任何A_X，象F (A)有定义，并且F(A)={F(x)|x € A}(2)对于任何B —Y，原象「’(B)有定义，并且J (B) ={x € X|F(x) € B}(注意：：(x)与J ({x})的异同，前者不一定有意义，而后者总存在；前者表示兀素，后者表示集合)文档收集自网络，仅用于个人学习(3)如果Z也是一个集合并且G: Y-乙则关系的复合GF作为一个从X到Z的关系有定义；(4)F :作为从丫到X的一个关系有定义，但一般说来F :不是一个从丫到X的映射(这要看F是否是---- 映射)；19 / 24(5)F的定义域有定义，并且它就是X;(意味着X中的每个元素都必须有象)(6)F的值域有定义，并且它就是F(X). (F(X)不一定充满Y)定理1.5.1 设X, Y和Z都是集合.如果F: X-Y和G: Y-乙则GF: X- Z;并且对于任何x€ X,有文档收集自网络，仅用于个人学习GF (x)= G(F(x))(这实际上是映射的积的本质)证明(略)(但要理解上式等号左右两边的不同含义，前者是两个映射的积(也是一个映射)作用在x上，后者是F先作用在x上，然后G 再作用在F(x)上).文档收集自网络，仅用于个人学习今后我们常用小写字母f, g, h,……表示映射.定理1.5.2 设X和Y是两个集合，f:X -Y.如果A, B_Y 则(1)八(A U B)= 一八(A)U 一…(B);(2)八(A A B)= 一八(A)门一…(B);J1 -1 /~1 /-I(3)一(A-B)=_ (A) -一(B).简言之，映射的原象保持集合的并，交，差运算.证明(略).定义1.5.3 设X和Y是两个集合，X Y.如果Y中的每一个点都有原象(即f的值域为Y,亦即f (X) =Y),则称f是一个满射，或者称f为一个从X 到丫上的映射；如果X中不同的点的象是Y中不同的点(即对于任何I ■:■，如果「I,则有■ '1 ■/ ，则称f是一个单射；如果f既是一个单射又是一个满射，则称f为一个既单且满的映射，或者—映射. 文档收集自网络，仅用于个人学习如果f (X)是一个单点集，则称f是一个常值映射，并且当f (X) ={y}时，我们也说f是一个取常值y的映射. 文档收集自网络，仅用于个人学习易见，集合X中的恒同关系△( X)是从X到X的一个一一映射，我们也常称之为(集合X上的)恒同映射或恒同，有时也称之为单位映射，并且也常用记号 '或i : X-X来表示它.根据定义易见，对于任何x€ X，有i(x)二x .概言之，恒同映射便是把每一个点映为这个点自身的映射. 文档收集自网络，仅用于个人学习由于下面的这个定理，一一映射也称为可逆映射.定理1.5.3 设X和Y是两个集合.又设f:X -Y.如果f是一个一一映射，则一八便是一个从丫到X的映射(因此我们可以写/ : Y—X)，并且是既单且满的.此外我们还有：文档收集自网络，仅用于个人学习=和门厂F证明(略)定理1.5.4 设X，丫和Z都是集合，f:X -Y，g: Y-乙如果f 和g都是单射，则gof:X —Z也是单射；如果f和g都是满射，则g - f:X -Z也是满射.因此，如果f和g都是一一映射，则gf:X -Z也是一一映射. 文档收集自网络，仅用于个人学习这个定理的证明留给读者.21 / 24定义1.5.4 设X和Y是两个集合，A是X的一个子集.映射f:X -Y 和g: A-Y如果满足条件g _f即对于任何a€A有f (a) =g (a), 则称g是f的限制，也称f是g的一个扩张，记作「特别地，恒同映射耳：X-X在X的子集A上的限制々\A: A-X称为内射.这时I我们有对于任何a € A,妆A(a)=a . 文档收集自网络，仅用于个人学习将映射定义作为一种特别的关系，从理论上来说是十分清晰的.这样做的本意在于使得在我们的理论系统中除了“集合”和“元素”不再有任何未经定义的对象.如果每一次定义一个映射都要将这个映射写成它的定义域与值域的笛卡儿积的一个子集，这毕竟是件麻烦事；因此我们在定义映射时宁愿采用我们从前惯用的办法：为定义域中的每一个点指定值域中的一个点作为它的象.以下我们定义往后经常要用到的两个映射作为例子. 文档收集自网络，仅用于个人学习定义1.5.5 设是n>0个集合，1<i <n.从笛卡儿积負一二七…:到它的第i个坐标集…的投射(或称第i个投射)’！: X^ …定义为对于每一一个■■ - ■- - ■'? —-1 _ -i i 文档收集自网络，仅用于个人学习定义1.5.6 设R是集合X中的一个等价关系.从集合X到它的商集X/R的自然投射：p:X-X/R定义为对于每一个x € X，p (x) = A .文档收集自网络，仅用于个人学习作业：熟练掌握本节的所有定义与定理；注意定理132(2)与定理1.5.2的区别;熟练记忆P23习题1.2与定理1.5.2 .§ 1.6 集族及其运算设r是一个集合.如果对于每一个丫€『，指定了一个集合A, 我们就说给定了一个有标集族上，或者在不至于引起混淆的情形下干脆说给定了一个集族丄儿「，同时r称为（有标）集族的指标集. 文档收集自网络，仅用于个人学习定理1.6.2 设」…•是一个非空的有标集族，A是一个集合.则（1）对于任何,（2）分配律：（3）DeMorgan律：£-（% 召）=斗）证明（略）如果集族二儿「满足条件：对于每一个丫€ r,二都是某一个集合X 的子集，这时我们称这个集族为集合X的一个子集族.以下的两个定理讨论关系和映射与集族运算之间的关联.23 / 24。

第二章 拓扑空间2.1拓扑空间的概念2.1.1拓扑定义2.1.1设X 是一集合，T 是X 的一子集族。

如果T 满足：（1）,X T ∅∈；（2）有限交封闭；（3）任意并封闭。

则称T 为X 上的一拓扑，而T 的成员叫X 的开集。

例：{},T X =∅叫X 上的平庸拓扑；{}A |A T X =⊆叫X 上的离散拓扑；典型拓扑：余有限拓扑、余可数拓扑、有心拓扑、去心拓扑定义2.1.2 Y 的子空间拓扑或相对拓扑：母空间的开集交上Y 即可。

定义2.1.3 设(X,T )是拓扑空间，∼是X 上的等价关系，等价类的集合为[]{}/|X x x X =∈∼，自然投影:/p X X →∼定义为()[]p x x =。

令(){}1//|T U X p U T −=⊆∈∼∼叫/X ∼上的商拓扑，()/,/T X ∼∼叫商空间。

下面证明/T ∼是/X ∼上拓扑。

(1)由于()1p T −∅=∅∈，()1/p X X T −=∈∼，即,//X T ∅∈∼∼；(2)设/A T ⊆∼为有限集，由于()11U U U A Ap p U −−∈∈⎛⎞=⎜⎟⎝⎠∩∩，且满足()1p U T −∈，由拓扑T 对有限交封闭有，()1U A p U T −∈∈∩，从而U U /AT ∈∈∼∩；(3) /A T ∀⊆∼，由于()11U U A Ap U p U −−∈∈⎛⎞=⎜⎟⎝⎠∪∪，类似地，由拓扑T 对任意并封闭有，()1U A p U T −∈∈∪，从而U /AU T ∈∈∼∪。

综上所述，/T ∼是/X ∼上拓扑。

定理2.1.1设(X,T )是拓扑空间，F 是X 的闭集族，则（1）,X F ∅∈；（2）有限并封闭；（3）任意交封闭。

定理2.1.2设(X,T )是拓扑空间，F 是X 的闭集族，Y ⊆ X，则Y |F 是Y 作为子 空间的闭集族。

2.1.2 领域系定义2.1.5设X 是拓扑空间，包含x 的开集叫x 的开领域。

定义2.1.6设X 是拓扑空间，如果A 内存在x 的开领域，则称A 是x 的领域。

熊金城点集拓扑讲义一、引言点集拓扑学是现代数学的一个重要分支。

它的研究对象是一般的拓扑空间，即是由不同类型的点及其之间的关系组成的空间。

它是抽象代数学的一部分。

它探索的是空间的本质结构，不仅仅考虑空间的代数性质，而是将空间中多样的几何性质整合起来，从而揭示空间的整体性质。

点集拓扑可由简单形式的集合拓扑展开，进而发展为更为深奥和复杂的分支，如流形、纤维丛等。

点集拓扑学具有广泛的应用，如在物理、化学、计算机科学、天文学等领域均有涉及。

二、定义与基本概念点集拓扑学的基本对象是拓扑空间，其定义如下：定义1.1 拓扑空间设X是一个集合，T是X的一个子集族，若其满足以下三个条件：1. X及空集∅∈T；2. T的任意（包括可数无穷）并集仍属于T；3. T的有限交仍属于T，则称X配以集合族T为一拓扑空间，简称拓扑空间（topological space）。

通常我们将配以不同拓扑的同一集合视为不同的拓扑空间，即称(X,T1)和(X,T2)为不同的拓扑空间。

给定拓扑空间(X,T)，若S⊆X，则S处在S所在空间的拓扑子集上，此时称(X,yS,T|S)为子拓扑。

定义1.3 闭集、开集给定拓扑空间(X,T)，S是X的一个子集，如果S的补集S′∈T，那么称S是X的一个闭集；如果S∈T，那么称S是开集。

由于0和整个集合X本身总是开集，因而称它们是平凡开集；空集是闭集，其余闭集就是其余集合的开集的补集。

设A是拓扑空间X的一个子集，x是X的一个点，若对于任何包含x的开集U，有U∩A≠∅，那么称x是A的极限点（accumulation point）。

若A的闭包为X，那么称A在X中是稠密的（dense），也就是说，任何不属于A的X 的点，它都是A的极限点。

三、连通性和紧性连通性和紧性是点集拓扑的两个最为基本的概念。

连通性考虑了空间内元素之间的连通情况，紧性则关注空间的内部有多少信息。

定义2.1 连通性设X是拓扑空间，若对于任意的开集A∈T，它的对立集X-A也是连通的，那么称X是连通的（connected）。

第3章子空间（有限）,积空间，商空间在这一章中我们介绍通过已知的拓扑空间构造新的拓扑空间的三种惯用的办法．为了避免过早涉及某些逻辑上的难点，在§3.2中我们只讨论有限个拓扑空间的积空间，而将一般情形的研究留待以后去作．§3.1子空间本节重点：掌握度量子空间、拓扑空间子空间的概念，子空间的拓扑与大空间拓扑之间的关系以及子空间的闭集、邻域、基、导集、闭包与大空间相应子集之间的关系及表示法．讨论拓扑空间的子空间目的在于对于拓扑空间中的一个给定的子集，按某种“自然的方式”赋予它一个拓扑使之成为一个拓扑空间，以便将它作为一个独立的对象进行考察．所谓“自然的方式”应当是什么样的方式？为回答这个问题，我们还是先从度量空间做起，以便得到必要的启发．考虑一个度量空间和它的一个子集．欲将这个子集看作一个度量空间，必须要为它的每一对点规定距离．由于这个子集中的每一对点也是度量空间中的一对点，因而把它们作为子集中的点的距离就规定为它们作为度量空间中的点的距离当然是十分自然的．我们把上述想法归纳成定义：定义3.1.1 设（X，ρ）是一个度量空间，Y是X的一个子集.因此，Y×Y X×X．显然：Y×Y→R是Y的一个度量（请自行验证）．我们称Y的度量，是由X的度量ρ诱导出来的度量.度量空间（Y，ρ）称为度量空间（X，ρ）的一个度量子空间．我们常说度量空间Y是度量空间X的一个度量子空间，意思就是指Y是X的一个子集，并且Y的度量是由X的度量诱导出来的．我们还常将一个度量空间的任何一个子集自动地认作一个度量子空间而不另行说明．例如我们经常讨论的：实数空间R中的各种区间（a，b），[a，b]，（a，b]等；n＋1维欧氏空间中的n维单位球面:n维单位开、闭球体:以及n维单位开、闭方体和等等，并且它们也自然被认作是拓扑空间（考虑相应的度量诱导出来的拓扑）．定理3.1.1 设Y是度量空间X的一个度量子空间．则Y的子集U是Y中的一个开集当且仅当存在一个X中的开集V使得U＝V∩Y．证明由于现在涉及两个度量空间，我们时时要小心可能产生的概念混淆．对于x∈X（y∈Y），临时记度量空间X（Y）中以x（y）为中心以ε＞0为半径的球形邻域为，.首先指出：有=∩Y.这是因为z∈X属于当且仅当z∈Y且(z,y)<ε.现在设U∈，由于Y的所有球形邻域构成的族是Y的拓扑的一个基，U可以表示为Y 中的一族球形邻域，设为A的并．于是设，∴U=V∩Y另一方面，设U＝V∩Y，其中V∈．如果y∈U，则有y∈Y和y∈V．,有按照定理3.1.1的启示，我们来逐步完成本节开始时所提出的任务．定义3.1.2 设A是一个集族，Y是一个集合．集族{A∩Y|A∈A}称为集族A在集合Y上的限制，记作引理3.1.2 设Y是拓扑空间（X，T)的一个子集．则集族是Y的一个拓扑．证明我们验证满足拓扑定义中的三个条件：（1）由于X∈T和Y=X∩Y，所以Y∈；由于∈T,=∩Y,所以∈（2）如果A，B∈，即于是（3）如果是集族的一个子集族，即对于每一个A∈，定义3.1.3 设Y是拓扑空间（X，T）的一个子集．Y的拓扑称为（相对于X的拓扑T而言的）相对拓扑；拓扑空间（Y，，）称为拓扑空间的一个（拓扑）子空间．我们常说拓扑空间Y是拓扑空间X的一个子空间，意思就是指Y是X的一个子集，并且Y的拓扑就是对于X的拓扑而言的相对拓扑．此外，我们也常将拓扑空间的子集认为是一个子空间而不另行说明．假设Y是度量空间X的一个子空间．现在有两个途径得到Y的拓扑：一是通过X的度量诱导出Y的度量，然后考虑Y的这个度量诱导出来的拓扑；另一是先将X考虑成一个拓扑空间，然后考虑Y的拓扑为X的拓扑在Y上引出来的相对拓扑．事实上定理3.1.1已经指出经由这两种途径得到的Y的两个拓扑是一样的．下面把这层意思重新叙述一遍．定理3.1.3 设Y是度量空间X的一个度量子空间．则X与Y都考虑作为拓扑空间时Y是X的一个（拓扑）子空间．定理3.1.4 设X，Y，Z都是拓扑空间．如果Y是X的一个子空间，Z是Y的一个子空间，则Z是X的一个子空间．证明当Y是X的一个子空间，Z是Y的一个子空间时，我们有；并且若设T为X的拓扑时，Z的拓扑是（）={U∩Y|U∈T}={U∩Y∩Z|U∈T}={U∩Z|U∈T}=因此Z是X的一个子空间．定理3.1.5 设Y是拓扑空间X的一个子空间，y∈Y．则（l）分别记T和为X和Y的拓扑，则=；（2）分别记F和为X和Y的全体闭集构成的族，则=；（3）分别记和y为点y在X和Y中的邻域系，则y= ．证明（1）即是子空间和相对拓扑的定义．（2）成立是因为：={(X-U)∩Y|U∈T}={Y-U∩Y|U∈T}=（3）设则，因此存在使得V＝∩Y,令,由于并且＝V∪U＝U所以U∈.以上证明．类似的论证指出定理3.1.6 设Y是拓扑空间X的一个子空间，A是Y的一个子集．则（1）A在y中的导集是A在X中的导集与Y的交；（2）A在Y中的闭包是A在X中的闭包与Y的交．证明为证明这个定理，我们仍分别记A在X中的导集和闭包为d（A）和；而记A在Y中的导集和闭包分别为（A）和（A）．（l）一方面，设y∈（A）．则对于y在X中的任何一个邻域U，根据定理3.1.5，U∩Y是y在Y中的一个邻域，所以因此y∈d （A）．此外当然有y∈Y．所以y∈d(A)∩y．这证明(A)d（A）∩Y．另一方面，设y∈d(A)∩Y,所以y∈(A)．这证明d（A）d（A）∩Y．（2）成立是因为(A)=A∪(A)=A∪(d(A)∩Y)=(A∪d(A))∩(A∪Y)=∩Y定理3.1.7 设Y是拓扑空间X的一个子空间，y∈Y．则（1）如果B是拓扑空间X的一个基，则是子空间Y的一个基；（2）如果是点y在拓扑空间X中的一个邻域基，则是点y在子空间Y中的一个邻域基．证明（1）设B是X的一个基．对于Y中的任何一个开集U，存在X中的一个开集V使得U=V∩Y；存在B的一个子族,使得V＝．因此U＝由于上式中的每一个B∩Y是中的一个元素，所以在上式中U已经表示成了中的某些元素之并了．因此是Y的一个基．（2）证明（略）．“子空间”事实上是从大拓扑空间中“切割”出来的一部分．这里有一个反问题，概言之就是：一个拓扑空间什么时候是另一个拓扑空间的子空间？换言之，一个拓扑空间在什么条件下能够“镶嵌”到另一个拓扑空间中去？当然假如我们拘泥于某些细节，例如涉及的拓扑空间是由什么样的点构成的，那么问题会变得十分乏味,然而我们在§2．2中便提到过，拓扑学的中心任务是研究拓扑不变性质，也就是说我们不去着意区别同胚的两个拓扑空间．在这种意义下，以上问题可以精确地陈述如下：定义3.1.4 设X和Y是两个拓扑空间，f:X→Y．映射f称为一个嵌入，如果它是一个单射，并且是从X到它的象集f(X)的一个同胚．如果存在一个嵌入f: X→Y，我们说拓扑空间X可嵌入拓扑空间Y．事实上，拓扑空间X可嵌入拓扑空间Y意思就是拓扑空间X与拓扑空间Y的某一个子空间同胚．换言之，在不区别同胚的两个拓扑空间的意义下，X“就是”Y的一个子空间．不能嵌入的一个简单例子是，一个离散空间，如果它含有多于一个点，就决不可能嵌入到任何一个平庸空间中去；反之，一个平庸空间，如果它含有多于一个点，也决不可能嵌入到任何一个离散空间中去．欧氏平面中的单位圆周是否可以嵌入到实数空间（即直线）中去呢？这个问题我们到第四章中再作处理．本书中我们还会涉及一些比较深刻的嵌入定理．本节关键:掌握拓扑空间中的子集(这里称为子空间)的开集、闭集、闭包、导集”长”得什么模样．作业:P95 1.2.5.7.。

第三章 子空间，（有限）积空间，商空间3.1子空间1. 证明:(1) 实数空间R 同胚于任何一个开区间;(2) n 维欧氏空间nR 同胚于其中的任何一个开方体, 也同胚于其中的任何一个球形邻域.证明: (1) 设(),αβ是R 的非空开区间. 情形一: ,αβ为有限数. 令()()11:,,.h h x x xαβαβ→=+--R> 用数学分析的方法可验证是从(),αβ到R 的同胚. 情形二:α=-∞, β∈R . 取(),c αβ∈. 令()()(),;:,,,.x x c h h x x c c c x x αβββββ≤⎧⎪→=--⎨-+<<⎪-⎩R> 用数学分析的方法可验证是从(),αβ到R 的同胚.情形三: α∈R , β=+∞. 取(),c αβ∈. 令()(),;:,,,.c x c x c h h x xx x c ααβα-⎧+<≤⎪→=-⎨⎪>⎩R> 用数学分析的方法可验证是从(),αβ到R 的同胚. 情形四: (),αβ=R . 结论显然成立.(2) 设()1,i ii n αβ≤≤∏是nR 中的方体. 取从(),i i αβ到R 的同胚i h , 1i n ≤≤. 则11i n i n h h h h ≤≤=⨯⨯∏ 是从()1,i i i n αβ≤≤∏到n R 的同胚. (定理: :i i i f X Y →连续,1,,i n = ⇒1111:i n i i i n i n i n f f f f X Y ≤≤≤≤≤≤=⨯⨯→∏∏∏ 连续, 其中()()()()1111,,n n n n f f x x f x f x ⨯⨯= .)设()(){}2211,|n n i i i n K x x x c r ≤≤=∈-<∑ R 是n R 中的开球. 则()()()11112211:,,,,n n n n i i i n h K h x x x c x c r x c ≤≤→=--⎛⎫-- ⎪⎝⎭∑ R是从K 到nR 的同胚.2. 如果Y 是拓扑空间X 的一个开(闭)子集, 则Y 作为X 的子空间时特别称为X 的开(闭)子空间. 证明:(1) 如果Y 是拓扑空间X 的一个开子空间, 则A Y ⊂是Y 中的一个开集当且仅当A 是X 中的一个开集;(2) 如果Y 是拓扑空间X 的一个闭子空间, 则A Y ⊂是Y 中的一个闭集当且仅当A 是X 中的一个闭集.证明: (1) 设Y 是拓扑空间X 的开子空间, 即Y 是X 的开子集. 若A Y ⊂是Y 的开子集, 由定理3.1.5, (1), 存在X 的开子集U 使得A U Y =⋂. 因为Y 也是X 的开子集, 故A 是X 的开子集. 反之, 若A Y ⊂是X 的开子集, 则A A Y =⋂是Y 的开集.(2) 设Y 是拓扑空间X 的闭子空间, 即Y 是X 的闭子集. 若A Y ⊂是Y 的闭子集, 由定理3.1.5, (2), 存在X 的闭子集F 使得A F Y =⋂. 因为Y 也是X 的闭子集, 故A 是X 的闭子集. 反之, 若A Y ⊂是X 的闭子集, 则A A Y =⋂是Y 的闭集.3. 设Y 是拓扑空间X 的一个子空间, A Y ⊂. 证明:(1) int ()int ()int ()X Y X A A Y =⋂;(2) ()()Y X A A Y ∂⊂∂⋂, 并举例说明等式可以不成立.其中int X 和int Y 分别表示在拓扑空间X 和Y 中求集合的内部; X ∂和Y ∂分别表示在拓扑空间X 和Y 中求集合的边界.证明: (1) 设()int X a A ∈. 则存在X 的开集O 使得a O A Y ∈⊂⊂. 由于O O Y =⋂,O 是Y 的开集, 从而()i n t Y a A ∈. 由a O Y ∈⊂得()int X a Y ∈. 故int ()int ()Y X a A Y ∈⋂. 反之, 设int ()int ()Y X a A Y ∈⋂. 由int ()X a Y ∈, 存在X 的开集1O 使得1a O Y ∈⊂. 由int ()Y a A ∈, 存在X 的开集2O 使得2a O Y A∈⋂⊂. 令12O O O =⋂. 则O 为X 的开集且a O A ∈⊂, 即有i n t ()X a A ∈. 综上得int ()int ()int ()X Y X A A Y =⋂.(2) 设()Y b A ∈∂. 则b Y ∈. 假设()X b A ∉∂. 则存在b 在X 的开邻域O 使得O A ⊂或O X A ⊂-. 若O A ⊂, 则O Y ⋂是b 在Y 中的开邻域且O Y A ⋂⊂. 这与()Y b A ∈∂矛盾. 若O X A ⊂-, 则O Y ⋂是b 在Y 中的开邻域且O Y A ⋂⋂=∅. 亦与()Y b A ∈∂矛盾. 于是()X b A Y ∈∂⋂. 故()()Y X A A Y ∂⊂∂⋂.令{}1,2,3X =, 其上拓扑为{}{}{}{},1,2,3,1,2,3∅; {}1,2Y =; {}2A =. 可验证2()X A Y ∈∂⋂, 2()Y A ∉∂. ()()Y X A A Y ∂≠∂⋂.4. 设Y 是拓扑空间X 的一个子空间, y Y ∈.证明: (1) 如果S 是X 的一个子基, 则|Y S是Y 的一个子基;(2) 如果yW 是点y 在X 中的一个邻域子基, 则|y YW 是点y 在Y 中的一个邻域子基.证明: 设S 是X 的一个子基, 则12{|,1,2.}n i S S S S i n =⋂⋂∈= BS 为X的基, 则1212|{|,1,2,.}{|,|,1,2,.}Y n i n i i i Y S S S Y S i n T T T T S Y T i n =⋂⋂⋂⋂∈==⋂⋂=⋂∈= B S S为Y 的基, 所以|Y S 为Y 的子基.(2) 设yW是点y 在X 中的一个邻域子基, 则1212|{||,1,2,.}{||,1,2,.}y n i n i W W W Y W y i n W W W W y i n =⋂⋂⋂∈==⋂⋂∈= V WW为y Y ∈在Y 中的邻域基, 所以|y YW是点y 在Y 中的一个邻域子基.5. 设(,)X T和1(,)Y T 的两个拓扑空间,并且Y X ⊂.证明:(1) 如果1(,)Y T 是(,)X T的一个子空间, 则内射:i Y X →是一个连续映射;(2) 如果内射:i Y X →是一个连续映射, 则1|Y ⊃T T.因此我们说: 相对拓扑是使内射连续的最小的拓扑. 证明: 设U ∈T, 则11()i U U Y -=⋂∈T, 故内射:i Y X →是一个连续映射;(2) 对于任意的|Y V ∈T , 存在U ∈T, 使得V U Y =⋂, 因为:i Y X →是一个连续映射, 对于U ∈T, 11()i U U Y V -=⋂=∈T, 因此1|Y ⊃TT.6. 设X 和Y 是两个拓扑空间. 证明映射:f X Y →是一个连续映射当且仅当:()f X f X →是一个连续映射.(这两个映射为何使用同一个符号, 请参见正文中的有关说明.)证明: 设:f X Y →是一个连续映射, 因为()f X 为Y 的子空间, 设U 是()f X 的开集, 则存在Y 的开集B , 使得()U B f X =⋂.1111()(())()()f U f B f X f B X f B ----=⋂=⋂=是X的开集, 所以:()f X f X →是一个连续映射.反之, 设:()f X f X →是一个连续映射, 因为()f X 为Y 的子空间, 设V 是Y 的开集. ()V f X ⋂为()f X 的开集, 而11(())()f V f X f V --⋂=为X 中的开集, 所以:f X Y →是一个连续映射7. 设X 和Y 是两个拓扑空间, A 是X 中的一个子集. 证明: 如果映射:f X Y →连续, 则映射|:A f A Y →也连续.证明: 因为内设 :i A X →是一个连续映射, 映射:f X Y →连续, 所以|A f f i = 是一个连续映射.8. 设X 和Y 是两个拓扑空间, A 是X 中的一个子集. 证明:(1) 如果映射:f X Y →是一个同胚, 则映射|:()A f A f A →也是一个同胚; (2) 如果X 可嵌入Y , 则X 的任何一个子空间也可嵌入Y .证明: 因为映射:f X Y →是一个同胚, 则映射|:()A f A f A →是在上的一一映射, 由第6题知, 映射|:()A f A f A →连续. 下证1(|):()A f f A A -→连续, 设V 是A 的开集,则存在开集U X ⊂, 使得V U A =⋂, 则()1111((|))()|()()()()()()()A A f V f V f V f U A f U f A fU f A ----===⋂=⋂=⋂由于f 是连续映射, 因此 ()11()f U --是Y 中的开集, 11((|))()A f V --是()f A 的开集.(2) 是 (1)的直接推论.9. 在集合2R 中给定一个子集族{[,)[,)|,,,,,}a b c d a b c d a b c d =⨯∈<<R S .验证2R 有惟一的一个拓扑T 以S为它的一个子基. 令2{(,)|1}A x y x y =∈+=R .问A 作为拓扑空间2(,)R T的一个子空间时有什么特点? (提示:证明拓扑空间(,|)A A T是一个离散空间.)10. 证明: 如果X 是一个只含可数个点的拓扑空间, 则存在一个满的连续映射:f X →Q . 其中Q 是由所有有理数构成的实数空间R 的子空间.11. 回答一下问题并给出必要的证明: (1) 有限补空间何时可嵌入可数补空间? (2) 可数补空间何时可嵌入有限补空间?3.2 (有限）积空间1. 设(,)X ρ是一个度量空间, 证明映射:X X ρ⨯→R 是一个连续映射.证明: 任取R 得开子集V . ()1U V ρ-. 若U =∅, 则为X X ⨯的开子集. 设U ≠∅. 任取()12,x x U ∈. 则()12,r x x V ρ∈ . 取0ε>使得(),r r V εε-+⊂. 对任意()()()1212,,/2,/2y y B x B x εε∈⨯, 利用三角不等式可得()()()()()()()12112212121122,,,,,,,.x x x y x y y y x x x y x y ρρρρρρρ--≤≤++即有()12,r y y r ερε-<<+, ()12,y y V ρ∈. 这样()()12,/2,/2B x B x U εε⨯⊂,()12,x x 是U 的内点. U 是开集. 所以ρ连续.2. 设11(,)X ρ和22(,)X ρ是两个度量空间, 定义121212,:()()d d X X X X ⨯⨯⨯→R ,使得对于任何12(,)x x x =, 12(,)y y y =12X X ∈⨯,11112222111222(,)(,)(,);(,)max{(,),(,)}.d x y x y x y d x y x y x y ρρρρ=+=(1) 验证1d 和2d 都是12X X ⨯的度量;(2) 证明12X X ⨯的度量1d , 2d 和ρ是等价的度量, 其中ρ是积度量.证明: (1) 显然1d 和2d 都满足度量的条件(1), (2). 下面证明它们满足三角不等式. 设()()()12121212,,,,,x x x y y y z z z X X ===∈⨯.()()()()()()()()()()()()()()()111122211111122222211122211122211,,,,,,,,,,,,,.d x y x y x y x z z y x z z y x z x z z y z y d x z d z y ρρρρρρρρρρ=+≤+++=+++=+()()(){}()()()(){}()(){}()(){}()()211122211111122222211122211122222,max ,,,max ,,,,,max ,,,max ,,,,,.d x y x y x y x z z y x z z y x z x z z y z y d x z d z y ρρρρρρρρρρ=≤++≤+=+故, 1d , 2d 是12X X ⨯的度量. 其次证明证明1d , 2d 和ρ等价.()()()22,,2,.d x y x y d x y ρ≤≤(1)设U 为()12,X X ρ⨯中的开集, 即对任意x U ∈, 存在0ε>, 使(),B x U ρε⊂, 其中(),B x ρε表示度量空间()12,X X ρ⨯中x 的ε-邻域.由(1)右边不等式, ()2,/2d B x U ε⊂. 即见U 是()122,X X d ⨯中的开集.反之, 设U 是()122,X X d ⨯中的开集, 即对任意x U ∈, 存在0ε>, 使()2,d B x U ε⊂. 由(1)左边不等式, (),B x U ρε⊂. 即见U 是()12,X X ρ⨯中的开集.因此, ()122,X X d ⨯和()12,X X ρ⨯有相同的开集, 2d 和ρ等价. 又()()()1,,2,x y d x y x y ρρ≤≤(2)利用此不等式, 仿上可证()121,X X d ⨯和()12,X X ρ⨯有相同的开集. 从而1d 和ρ等价.图形略.3. 将习题2中的结论推广到n 个度量空间的积空间中去.设(,)i i X ρ为度量空间, 1,2,,i n = 定义:121212,:()()n n d d X X X X X X ⨯⨯⨯⨯⨯→ 使得对于任意的12(,,)n x x x x = 1212(,,)()n n y y y y X X X =∈⨯⨯ , 定义:11112222111222(,)(,)(,)max{(,),(,),(,)}n n n n n d x y x y x y d x y x y x y ρρρρρρ=++=则12,d d 是12n X X X ⨯⨯ 的度量, 12,,d d ρ是等价的度量.4. 设1X 和2X 是两个拓扑空间, 12X X ⨯是它们的积空间, 证明对于任何1A X ⊂和2B X ⊂有(1) A B A B ⨯=⨯; (2) ()oooA B A B ⨯=⨯;(3) ()(())(())A B A B A B ∂⨯=∂⨯⋃⨯∂.(注意, 尽管这里在三个不同的空间中求集合的闭包, 内部和边界使用的记号分别相同, 但并不至于发生混淆.)证明: 设12(,)x x x A B =∈⨯, 对于任意的开邻域12,,x x x U V U V ∈∈⨯∈U UU , 从而()()()()U V A B U A V B ⨯⋂⨯=⋂⨯⋂≠Φ即,,U A V B ⋂≠Φ⋂≠Φ 则12,,x A x B ∈∈ 故 12(,)x x x A B =∈⨯, A B A B ⨯⊂⨯. 反之, 设 12(,)x x x A B =∈⨯, 则12,x A x B ∈∈对于任意的开邻域xW ∈U, 存在12,x x U V ∈∈U U 使得W U=⨯, 由于,U A V B ⋂≠Φ⋂≠Φ, 则()()U A V B ⋂⨯⋂≠Φ 所以x A B ∈⨯, 故,A B A B ⨯⊂⨯ 因此.A B A B ⨯=⨯5. 设1X 和2X 是两个拓扑空间, 1A 和2A 分别是1X 和2X 的子空间, 证明12A A ⨯作为积空间的拓扑与12A A ⨯作为积空间12X X ⨯的子空间的拓扑两者相同.6. 设1X ,2X 和3X 都是拓扑空间, 证明: (1) 积空间12X X ⨯同胚于积空间21X X ⨯;(2) 积空间123()X X X ⨯⨯同胚于积空间123()X X X ⨯⨯; (3) 存在一个拓扑空间Y 使得积空间1X Y ⨯同胚于1X ;(4) 如果1X ≠∅并且积空间12X X ⨯同胚于积空间13X X ⨯, 则2X 同胚于3X . 7. 证明§3.1习题9中定义的拓扑空间2(,)R T 是两个实数下限拓扑空间l R (参见例2.6.1)的积空间.3.3 商空间1. 证明: 离散空间(平庸空间)的任何一个商空间都是离散空间(平庸空间).证明: 设X 离散, 即X 的任一子集为开集. 设R 是X 的任一等价关系. 任取/A X R ⊂. 则()1p A -为X 的开子集, A 为商空间/X R 中的开集. 由/A X R ⊂的任意性, /X R 为离散空间.设(),X T平庸, 即{},X =∅T. 设R 是X 的任一等价关系. 若A 是/X R 的非空真子集, 则()1pA -为X 的非空真子集, ()1p A -∉T, 从而RA ∉T. 所以{},/RX R =∅T. /X R 为平庸空间.2. 设X , Y 和Z 都是拓扑空间. 证明: 如果:f X Y →和:g Y Z →都是商映射, 则:g f X Z → 也是商映射.证明: 因为:f X Y →和:g Y Z →都是满射, 所以:g f X Z → 也是满射. 若W 是Z 的开子集, 由g f 的连续性, ()()1g f W - 是X 的开子集. 若WZ ⊂不是Z 的开子集,由:g Y Z →是商映射, ()1g W -不是Y 的开子集. 进而, 由:f X Y →是商映射,()()11f g W --不是X 的开子集, 即()()1g f W - 不是X 的开子集. 于是, W 是Z 的开子集当且仅当()()1g fW - 是X 的开子集. 所以,:g f X Z → 是商映射.3. 定义映射1:p S →R , 使得对于任何t ∈R 有1()(cos(2),sin(2))p t t t S ππ=∈. 证明p 是一个商映射. (提示:事实上p 是一个开映射.)证明. 令1S 的度量ρ为2R 上的通常度量诱导而来. 由于()()()()()()()()122212(),(cos 2cos 2sin 2sin 2)21cos 222|sin |2||,p x p y x y x y x y x y x y ρππππππππ=-+-=--=-≤-p 为连续映射. p 显然是满射. 由定理3.3.3, 为证p 是商映射, 只需验证p 是开映射.设U 为R 的开子集. 任取x U ∈. 存在01/2ε<<使得(),x x U εε-+⊂.()(),C p x x εε-+ . 对任意1w S C ∈-, 取y ∈R 满足()p y w =以及||1/x y ε≤-≤.则()()()(),2|sin |2sin p x p y x y ρππε=-≥.从而()()(),2s in B p x p U πε⊂, ()px 为()p U 的内点. 由x U ∈得任意性, ()p U 为1S 的开子集.4. 定义映射21:{(0,0)}p S -→R , 使得对于任何2(,){(0,0)}x y ∈-R 有1(,)p x y S =∈.证明p 是一个商映射.5. 设X 和Y 是两个拓扑空间,:f X Y →是一个商映射. 令2{(,)|()()}R x y X f x f y =∈=. 证明:(1) R 是X 中的一个等价关系; (2) Y 同胚于商空间/X R .6. 定义映射1:p I S →, 使得对于任何t I ∈有1()(cos(2),sin(2))p t t t S ππ=∈.其中, [0,1]I =. 证明:(1) p 是满的连续闭映射;(2) 例3.3.2中的商空间/I R 与1S 同胚.7. 举例说明商映射可以既不是开映射也不是闭映射.。