基 (拓撲學)

在拓扑学的相关领域中,拓撲基(base 或 basis) 是一群子集,可以由它們的任意并集構成一個拓扑結構。基在拓扑学的作用在於許多拓撲的性質可轉換成基的性質,像是拓撲意義下的连续就可以直接對基來做定義。

動機

拓撲基的動機是想定義一群特殊的子集,它們的任意并集都是「开」的;嚴謹來說,若 為集合 的一個子集族,怎樣能使 內任意一群子集之并集所組成的 :

為 上的拓扑:

定理 — 
集合 有子集族 , 設 :

則「 為 上的拓扑 」,等價於以下兩條件:

  • 對所有 ,
證明

以下逐條檢驗拓扑的定義:

(1) 等價於「 」的條件

若 ,則:

(a)

考慮到 ,所以根據有无限并集性質的定理(1)與(2)有

但根據无限并集性質的定理(1),(a)又等價於:

所以有:

所以從 有:

(a1)

反之若有 (a1),因為 ,所以有 。故在本定理的前提下,(a1)等價於 。

(2)

首先考慮到 ,然後從无限并集性質的定理(0)有 ,故 。

(3) 對任意 有

首先, 可等價地展開為

(b)

上式可直觀地解釋成「 都是 內某些集合的并集」,既然如此,取一個蒐集各種不同 的子集的集族 :

這樣根據有限交集的性質, 等價於

考慮到一阶逻辑的定理(Ce),將 移至最前,再將移入括弧內 ,上式就依據(Equv)而等價於

也就等價於

根據无限并集性質的定理(4),從(b)有

這樣根據无限并集性質的定理(1)又會有

考慮到 ,從无限并集性質的定理(1)與定理(2)有

所以最後從(b)有

所以 最後等價於

換句話說

這樣考慮到 就有

所以在本定理的前提下, 對所有 都有 。

(4)等價於「 則 」的條件

若

「對所有的 有 」(P)

因取任意 都有:

故 ,換句話說從假設(P)可以推出:

「對所有 ,」(P')

另一方面, 可等價地展開為:

因為 可等價地展開為:

所以在 的前提下 又可更進一步等價地展開為:

此時考慮到一阶逻辑的定理(Ce),連續使用兩次會有:

這樣的話,若取一個包含所有 的集族:

這樣就有:

而且考慮到 和 ,所以在(P')的前提下,所有的 都在 裡,換句話說, ,故從上小結的結果有:

所以,(P')跟(P)等價。

綜合上面的(a1)、(a2)、和(P'),本定理得證。

一般會根據无限并集性質的定理(4),將第二個條件等價的寫為:

「對所有 , 」

也就等價於:

「所有的 ,對任意 都存在 使得 」

定義

由上面動機一節的定理,可以作如下的定義:

定義 — 
為集合 的一個子集族,若滿足:

  •  (基的元素覆蓋)
  • 所有的 ,對任意 都存在 使得

則稱 為 的一個拓撲基(Topological Basis)。而:

則稱為由基 所生成的拓撲。

範例

以所有實數線中的開區間為元素所構成的集合是拓撲基,因為:

(1)任意實數 都包含在某個開區間裡,如 。
(2)任何兩個開區間的交集要么也是開區間要么為空。
(3)對任意開區間 內的實數 ,都有一個比 更小的開區間也包含 ,如 。

這些性質正好滿足拓撲基的定義。

重要性質

定理 — 
是集合 的拓撲基,則 生成的拓撲是包含 的最粗拓撲

證明
設 所生成的拓撲是 ;另一方面包含 的最粗拓撲為 。

根據最粗拓撲的定義有:

(a)

那以量词公理(A4) 將 去掉會有:

那再使用量词公理(A4),配合(D1)會有:

因為 是 所生成的拓撲,配合(D2)有:( 為 「 是 的拓撲基」的正式敘述)

另一方面,根據拓撲基的定義有:

而根據拓扑的定義(關於聯集的部分)與演繹定理會有:

這樣根據(GEN)與演繹定理就有:

換句話說,從演繹定理與(D1)有:

那從普遍化元定理就有:

這樣從(a),配合(AND)與(D1)就有:

這樣從(AND)和演繹定理就有:

套用(GEN)將 重新加入就會有:

故本定理得証。

定理 — 
和 都是集合 的拓撲基,而 為 生成的拓撲; 為 生成的拓撲,則以下兩敘述價

證明
  • 如果 B1,B2,...,Bn 是拓撲 T1,T2,...,Tn 的基,則集合積 B1 × B2 × ... × Bn 是乘積拓撲 T1 × T2 × ... × Tn 的基。在無限乘積的情況下這仍適用,除了出現有限多個基元素之外全部都必須是整個空間之外。
  • 設 B 是 X 的基并設 Y 是 X 的子空間。那么如果我們交 B 的每個元素於 Y,結果的集合的搜集是子空間 Y 的基。
  • 如果函數 f:X → Y 映射 X 的所有基元素到 Y 的一個開集,它是一個開映射。類似的,如果 Y 的一個基元素的所有原像在 X 中是開集,則 f 是連續函數。
  • X 的子集的搜集是 X 上的拓撲當且僅當它生成自身。
  • B 是拓撲空間 X 的基,當且僅當 B 的包含 x 的元素的子搜集形成在 x 上的局部基,對于 X 的任何點 x。
  • 給定拓撲的一個基,要證明網或序列的收斂,在包含假定極限的所有基中的集合中最終證明它就是充分的。

依據基定義的對象

  • 序拓撲通常定義為類似開區間的集合的搜集所生成的拓撲。
  • 度量拓撲通常定義為開球的搜集生成的拓撲。
  • 第二可數空間是有可數基的拓撲。
  • 離散拓撲有由所有單元素集合組成的基。

閉集基

閉集同樣擅長描述空間的拓撲。因為有對於拓撲空間的閉集的對偶的基的概念。給定一個拓撲空間 X, X 的閉集基是閉集的集合族 F 使得任何閉集 A 是 F 的元素的交集。

等價的說,閉集族形成了閉集基,如果對於每個閉集 A 和每個不在 A 中的點 x,存在一個 F 的元素包含 A 但不包含 x。

容易檢查 F 是 X 的閉集基,當且僅當 F 的成員的補集的集合族是 X 的開集基。

設 F 是 X 的閉集基。則

  1. ∩F = ∅
  2. 對於每個 F1 和 F2 在 F 中,并集 F1 ∪ F2 是 F 的某個子族的交集(就是說,對于任何不在 F1 或 F2 的 x,存在一個 F3 在 F 包含 F1 ∪ F2 并不包含 x)。

滿足這些條件的集合 X 的任何子集搜集形成 X 上的拓撲的閉集基。這個拓撲的閉集完全就是 F 的成員的交集。

在某些情況下,更習慣使用閉集基而非開集基。例如,一個空間是完全正規空間,當且僅當它的零集形成了閉集基。給定任何拓撲空間 X,零集形成在 X 上某個拓撲的閉集基。這個拓撲將是 X上比最初的要粗的最細的完全正規拓撲。在類似的脈絡下,在 An 上的 Zariski拓撲被定義為選取多項式函數的零集作為閉集基。

準基

若拓扑空間是最小的拓扑使得的子集的集都是的開集,則稱為的一個準基(subbasis/subbase)。另一等價的定義為,若及其所有有限交集構成了拓扑空間之基,則為準基。

例子:

  • 在實數線上,所有長度為1的開區間便是一個準基。

J.W. 亞歷山大證明了:若每個準基覆盖都有一個有限個元素的子覆蓋,則此空間是緊緻的。

注釋

    參考文獻

    • James Munkres (1975) Topology: a First Course. Prentice-Hall.
    • Willard, Stephen (1970) General Topology. Addison-Wesley. Reprinted 2004, Dover Publications.
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