点集拓扑学课件

点集拓扑学合肥工业大学数学学院预备知识1.点集拓扑的定义《点集拓扑学》课程是一门现代数学基础课程，属数学与应用数学专业的理论课。是数学与应用数学专业的主干课。点集拓扑学（PointSetTopology），有时也被称为一般拓扑学（GeneralTopology），是数学的拓扑学的一个分支。它研究拓扑空间以及定义在其上的数学构造的基本性质。这一分支起源于以下几个领域：对实数轴上点集的细致研究，流形的概念，度量空间的概念，以及早期的泛函分析。它的表述形式大概在1940年左右就已经成文化了。通过这种可以为所有数学分支适用的表述形式，点集拓扑学基本上抓住了所有的对连续性的直观认识。2.点集拓扑的起源点集拓扑学产生于19世纪。G.康托尔建立了集合论，定义了欧几里得空间中的开集、闭集、导集等概念，获得了欧几里得空间拓扑结构的重要结果。1906年M.-R.弗雷歇把康托尔的集合论与函数空间的研究统一起来，建立了广义分析，可看为拓扑空间理论建立的开始。3.一些参考书籍（1）《拓扑空间论》，高国士，科学出版社，2000年7月第一版（2）《基础拓扑讲义》，尤承业，北京大学出版社，1997年11月第一版（3）《一版拓扑学讲义》，彭良雪，科学出版社，2011年2月第一版第一章集合论初步在这一章中我们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等。这里所介绍的集合论通常称为“朴素的集合论”，这对大部分读者已经是足够了．那些对集合的理论有进一步需求的读者，例如打算研究集合论本身或者打算研究数理逻辑的读者，建议他们去研读有关公理集合论的专著。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生的集合”,“所有整数的集合”等等．集合也常称为集。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．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．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．此外，我们还通过以下的方式｛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．集合表示方式中的竖线“︱”也可用冒号“:”或分号“;”来代替．此外，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．我们常用：N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。我们从前在数学的各种科目中学过诸如函数、偏序、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。定义1.1.1设X和Y是两个集合．集合YyXxyx,),(称为X与Y的笛卡儿积，记作YX，读为X叉乘Y。其中),(yx是一个有序偶，x称为),(yx的第一个坐标，y称为),(yx的第二个坐标．X称为YX的第一个坐标集，Y称YX的第二个坐标集．集合X与自身的笛卡儿积XX称为X的2重（笛卡儿）积，通常简单记作2X.（有序偶的定义请参考书本）1.2集合的基本运算（略。。。）1.3关系定义1.3.1设X，Y是两个集合，如果R是X与Y的笛卡儿积YX的一个子集，即YXR，那么就称R是从X到Y的一个关系。如果Ryx),(，那么我们称x与y是R相关的，并且记作xRy．若XA，则Y的子集RyxAxYy,,使得存在称为集合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)(AR，XR称为关系R的值域．关系的概念是十分广泛的，大家很快便会看到，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．定义1.3.2设R是从集合X到集合Y的一个关系，即YXR，这时笛卡儿积XY的子集xRyXYxy),(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1R。如果YB，X的子集)(1BR是集合B的1R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1R的值域)(1YR也称为关系R的定义域．定义1.3.3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，称关系ySzxRyYyXzx并且使得存在Z),(为关系R与关系S的复合或积，记作SOR.定理1.3.4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．则(l)RR11)(；(2)111)(SRRS；(3)RSTRST)()(另外，对于X的任意两个子集A和B，我们有：（4）)()()(BRARBAR；（5）)()()(BRARBAR；（6）))(())((ARSARS.定义1.3.5集合X中的一个关系R称为集合X中的一个等价关系，如果它满足：（1）自反性，即RxxXx),(,，或者RX)(；（2）对称性，即若Ryx),(，则Rxy),(，或者RR1；（3）传递性，即若,),(,),(RzyRyx则Rzx),(，或者RRR.1.4映射定义1.4.1设F是从集合X到集合Y的一个关系．若对于每一个Xx，存在唯一的一个Yy使得xFy，则称F是从X到Y的一个映射，并且记作YXF:.定义1.4.2设nXXXn是,,,21个集合。从笛卡尔集nXXXX21到它的第i个坐标集iX的投射（或称第i个投射）iiXXP:定义为对每一个Xxxxxn),,,(21，iixxP)(.定义1.4.3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RXXp/:定义为对于每一个RxxpXx][)(,.第二章拓扑空间与连续映射2.1拓扑空间与连续映射从数学分析中读者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．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。2.2度量空间与连续映射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，一个函数RRf:被称为在点Rx0处是连续的，如果对于任意实数0，存在实数0，使得对于任何Rx，当0xx时，恒有)()(0xfxf.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2.2.1设X是一个集合，RXX:是映射．如果对于任何Xzyx,,，有(1)正定性，0),(yx，并且0),(yx当且仅当yx；(2)对称性，),(),(xyyx；(3)三角不等式，),(),(),(zyyxzx.则称是X上的一个度量。若是集合X上的一个度量，则称偶对),(X是一个度量空间，或称X是一个具有度量的度量空间．当度量早有约定时，或者在行文中已作交代，不提它不至于引起混淆，这时我们就称X是一个度量空间．此外，对于任意两点Xyx,，实数),(yx称为点x和点y之间的距离．例2.2.2实数空间R.对于实数集合R，定义RRR:如下：对于任意Ryx,,令yxyx),(容易验证是R的一个度量，因此偶对),(X是一个度量空间．这个度量空间特别地称为实数空间或实直线，这里定义的度量称为R的通常度量，并且常常略而不写，简称R为实数空间．例2.2.3n维欧式空间nR.对于实数集合R的n重笛卡尔集RRRRn，定义RRRnn:如下：对于任意的nnnRyyyyxxxx),,,(),,,,(2121，令niiiyxyx12)(),(.容易验证是nR的一个度量，因此偶对),(nR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称为nR的通常度量，并且常常略而不写，而称nR为n维欧氏空间．2维欧氏空间通常称为欧氏平面或平面．例2.2.4Hilbert空间记H为平方收敛的所有实数序列构成的集合，即：1221,,),,(iiixNiRxxxxH定义RHH:如下：对任意的Hyyyxxx),,(),,(21,21，12)(),(iiiyxyx容易验证是H的一个度量，偶对（H，）是一个度量空间，这个度量空间称为Hilbert空间。这里定义的度量称为H的通常度量，并且常常略而不写，而称H为Hilbert空间．例2.2.5离散的度量空间设(X,)是一个度量空间．称(X,)是离散的，或者称是X的一个离散度量，如果对于每一个Xx，存在一个实数0x使得对于任何)(,xyXy，都有xyx),(.例如我们假定X是一个集合，定义使得对于任何Xyx,，有：.,0;,1),(yxyxyx容易验证是X的一个离散度量。因此度量空间(X,)是离散的。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2.2.6设(X,)是一个度量空间，对于任意给定的实数0，定义),(),(yxXyxB),(xB称为以x为中心，为半径的球形邻域，简称为x的一个邻域。定理2.2.7度量空间(X,)的球形邻域具有以下基本性质：（1）每一点x至少有一个球形邻域U，并且点x属于它的每一个球形邻域；（2）对于点x的任意两个球形邻域U，V，存在x的一个球形邻域W同时包含于U与V中；（3）如果y属于x的某一个球形邻城U，那么y有一个球形邻域UV.证明：（1）设Xx，对每一个实数0，),(xB是x的一个球形邻域，这说明x至少有一个球形邻域；由于0),(xx，故x属于它的每一个球形邻域。（2）设),(),(21xBxB和是x的两个球形邻域，任意选取实数0，使得},min{21，则易见),(),(),(21xBxBxB，即),(xB满足要求。（3）设),(xBy,令),(1yx.显然，01，若),(1yBz，则),(),(),(),(1xyxyyzxz所以),(xBz，这就证明了),(),(11xByB.定义2.2.8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（即对于每个Aa，都存在实数0使得AaB),(，那么称A是度量空间X中的一个开集．例2.2.9实数空间R中的开区间都是开集．设baRba且,，则开区间bxaRxba),(是R中的一个开集。这是因为如果),,(bax令},min{xbax，则),(),(baxB.同样容易证明无限的开区间),(),,(),,(ba都是R中的开集。而闭区间}{],[bxaRxba却不是R中的开集。因为对于],[baa以及任何0，],[),(baaB都不成立。类