学习笔记 - 拓扑学(四)

连续

XY为两拓扑空间,一个函数f:X\to Y被称为连续的,如果对于Y中的任意开集V,我们有f^{-1}(V)X中的一个开集。函数的连续性不仅取决于函数本身,也取决于定义域和值域的拓扑结构。

如果Y由基\mathcal{B}生成,那么Y中的任意开集可以写成V=\bigcup_{\alpha \in J} B_\alpha,其逆映射可以写成f^{-1}(V)=\bigcup_{\alpha \in J} f^{-1}(B_\alpha)。因此,为了证明函数f是连续的,只需要证明对于所有的基元素Bf^{-1}(B)X中是开集。同理我们可以说明,如果Y由子基生成,那么只需要证明所有的子基的逆映射在X中是开集。

在微积分中,我们曾经使用\varepsilon-\delta语言定义实数到实数上的连续函数。对于一个连续函数f:\mathbb{R}\to\mathbb{R},给定x_0\in \mathbb{R}\varepsilon>0V=(f(x_0)-\varepsilon,f(x_0)+\varepsilon)是实数轴上的开集,函数f的连续性保证存在\delta>0,使得U_\delta=(x_0-\delta,x_0+\delta)有:f(U_\delta)\subset V。那么,U_\delta \subset f^{-1}(V)。注意到U_\delta是一个基元素,因此f^{-1}(V)属于该拓扑,即为开集。因此,\varepsilon-\delta语言定义的连续函数和在这里定理的连续函数并不矛盾。

对于连续性,我们有如下等价定理:

定理:设XY是拓扑空间,f:X\to Y是一个函数,则以下说法等价:

  1. f是连续函数
  2. 对于任意A\subset X,有 f(\overline{A}) \subset \overline{f(A)}
  3. 对于任意闭集B\subset Yf^{-1}(B)X中的闭集
  4. 对于任意x\in X和任意f(x)的邻域V,存在一个x的邻域U,使得f(U)\subset V
    :如果 4. 对某点x成立,我们说fx处连续。

同胚

XY为两拓扑空间,f:X\to Y为双射。如果ff^{-1}均连续,那么f为一个同胚

不难看出,对于一个同胚ff(U)是开集当且仅当U是开集。因此,同胚不仅仅是定义在两个拓扑空间元素上的对应,也是定义在两个拓扑空间的开集的集合(即拓扑)上的对应。因此,X上定义的能完全被拓扑决定的性质,经过同胚映射,在Y上也会有相应的性质。这些性质被称为拓扑性质

在抽象代数中,同构是两个代数对象(例如群、环)之间的能够保留代数结构的双射。类似的,在拓扑中,同胚是两个拓扑空间之间的能够保留拓扑结构的双射。

XY为两拓扑空间,f:X\to Y为单射。令ZXf下的像集,则Z可以作为Y的一个子空间。令f':X\to Zf限制值域到Z的映射,则f'是一个双射。如果f'正好是一个同胚,那么称fXY拓扑嵌入,简称为嵌入

构造连续函数

定理(连续函数构造法则):设X,Y,Z为三个拓扑空间,则:

  1. f:X\to YX中所有元素映射到单点y_0\in Y,则f连续
  2. 如果XY的子空间,则内含函数j:X\to Y连续
  3. 如果f:X\to Yg:Y\to Z都连续,那么g \circ f:X\to Z连续
  4. 如果f:X\to Y连续,Z\subset X,则f|Z: Z\to Y连续
  5. 如果f:X\to Y连续,Y \subset Z,那么 g:X\to Z连续
  6. 如果f:X\to Y连续,f(X)\subset Z \subset Y,那么 g:X\to Z连续
  7. 如果X=\bigcup_{\alpha}U_\alpha开集且f|{U_\alpha}:U_\alpha\to Y连续,则f:X\to Y连续

对于 7,我们在闭集下也有类似的定理:

定理(粘接引理):令X=A\cup B,其中ABX中的闭集。令f:A\to Yg:B\to Y均连续,如果f(x)=g(x),\forall~x\in A\cap B,定义h:X\to Y如下
h(x) = \begin{cases} f(x),~~x\in A \\ g(x),~~x\in B \end{cases}
h连续。

该定理给出了一种“拼接”构造连续函数的方式。

定理:令f:A\to X\times Y为:f(a)=(f_1(a),f_2(a)),那么f是连续函数当且仅当f_1:A\to Xf_2: A\to Y均为连续函数。我们把f_1f_2称为f坐标函数

但是,反过来说,对于f:A\times B\to X,我们并没有一般的准则去判断是否为连续函数。

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