点集拓扑学课件

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1、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（Point Set Topology） ，有时也被称为一般拓扑学（General Topology） ，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

2、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

3、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

4、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

5、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 称为 X 与 Y 的笛卡儿积，记yx,),(作 ，读为 X 叉乘 Y 。其中 是一个有序偶， 称为 的第一个坐标， 称Y),(yxx),(yy为 的第二个坐标X 称为 的第一个坐标集，Y

6、 称 的第二个坐标集集),(yxYX合 X 与自身的笛卡儿积 称为 X 的 2 重（笛卡儿）积，通常简单记作 . （有序偶2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 的一个子集，即YX，那么就称 R 是从 X 到 Y 的一个关系。如果 ，那么我们称 x 与 yR Ryx),(是 R 相关的，并且记作 若 ，则 Y 的子集xyAyxx,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 ， 称为关系 R 的值域)(X关系

7、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 ，这时笛卡儿积YXR的子集 是从集合 Y 到集合 X 的一个关系，我们称它为关系 R 的XYxyy),(逆，并且记作 。如果 ，X 的子集 是集合 B 的 象，我们也常称它为1B)(11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 也称R)(1Y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

8、 为关系 R 与关系 S 的复合或积，记作 SOR.yzxyzx并 且使 得存 在 Z),(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 ) ；1( 2 ) ；11SRSo( 3 ) T)()另外，对于 X 的任意两个子集 A 和 B，我们有：（4） ；)()(BA（5） ；RR（6） .)()(So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 ，或者 ；x),(R)(（2）对称性，即若 ，则 ，或者 ；yy,1（3）传递性，

9、即若 则 ，或者 .)(,),(zRxzx),(Ro1.4 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 ，存在唯一的一个Xx使得 ，则称 F 是从 X 到 Y 的一个映射，并且记作 .Yyxy YF:定义 1.4.2 设 个集合。从笛卡尔集 到它的第n是,21L nL21个坐标集 的投射（或称第 个投射） 定义为对每一个iiXiiiXP:， .xxn),(21 iix)(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 XR 的自然投射定义为对于每一个 .Xp/:Rxp)(,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

10、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 被Rf:称为在点 处是连续的，如果对于任意实数 ，存在实数 ，使得对于任何Rx0 00，当 时，恒有 .在这个定义中只

11、涉及两个实数之间的)(0xf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， 是映射如果对于任何 ，有RX: Xzyx,(1)正定性， ，并且 当且仅当 ；0),(yx0),(yxyx(2)对称性， ；,(3)三角不等式， .),()()(zyxz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 是一个度量空间，或称 X 是一个具有度),(X量 的度量空间当度量 早有约定

12、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 ，实数 称为点yx, ),(yx和点 之间的距离xy例 2.2.2 实数空间 .R对于实数集合 R，定义 如下：对于任意 ,令:Ryx,yx),(容易验证 是 R 的一个度量，因此偶对 是一个度量空间这个度量空间特别地X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 2.2.3 维欧式空间 .nn对于实数集合 R 的 n 重笛卡尔集 ，定义 如下：nLRn:对于任意的 ，令nn Ryyxx ),(),(2121L.niiiyxyx12)()

13、,(容易验证 是 的一个度量，因此偶对 是一个度量空间这个度量空间特别地称nR,nR为 n 维欧氏空间这里定义的度量 称为 的通常度量，并且常常略而不写 ，而称为 n 维欧氏空间2 维欧氏空间通常称为欧氏平面或平面例 2.2.4 Hilbert 空间记 H 为平方收敛的所有实数序列构成的集合，即： 1221,),(ii xNRxxL定义 如下：对任意的 ，R: Hy),(),(221L1),iiixyx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

14、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 ，存在一个实数 使得对于任何 ，都有 .Xx0x)(,xyxy),(例如我们假定 X 是一个集合，定义 使得对于任何 ，有：x,.,0;1),(yyx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 ，定义0),(),(yxXxB称为以 为中心， 为半径的球形邻域，简称为 的一个 邻域。),(xB定理 2.2.7 度

15、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 .V证明：（1）设 ，对每一个实数 ， 是 的一个球形邻域，这说明 至Xx0),(xBx少有一个球形邻域；由于 ，故 属于它的每一个球形邻域。),(x（2）设 是 的两个球形邻域，任意选取实数 ，使得),(21Bx和 0，则易见 ，即 满足要求。min2 ),(),(),(21xBx),(x（3）设 ,令 .显然， ，若 ，则)(xy1y01yz),(),(),()( 1xxz所以 ，这就证明了 .),(xBz1By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 ，都存在实数 使得 ，那么称 A 是度量空间 X 中的a0a),(一个开集例 2.2.9 实数空间 R 中的开区间都是开集设 ，则开区间 是 R 中的一个开集。这是因为b且,