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拓扑空间中的收敛

Convergence in a topological space · Net convergence

网最终进入候选极限的每个邻域时所定义的一般拓扑收敛。

条目类型
定义

形式陈述

(A,) 为有向集,x:AX 是取值于拓扑空间 X。称 xα 收敛到 pX,记作 xαp,若

NN(p) α0Aαα0,xαN.

也就是说,p 的每个邻域都包含原网的一条完整尾部。若 Bpp 的局部基,只检查 BBp 即可;每个一般邻域都包含一个这样的基邻域。

序列是以 N 为有向集的网,故序列收敛沿用同一公式。度量空间中,

xnpd(xn,p)0,

因为开球构成邻域基。一般拓扑空间未必有距离,也未必能用一列邻域控制全部局部信息。

网给出三条完整刻画:

  1. pE 当且仅当存在取值于 E 的网收敛到 p
  2. f:XY 连续当且仅当 xαx 总推出 f(xα)f(x)
  3. X 紧当且仅当每个网都有收敛子网。

第一条的构造很具体:以 p 的邻域按反向包含定向,并在每个 N 中选取一点 xNEN。所得网随着邻域缩小而逼近 p。第二条把连续性的邻域定义逐尾部传递;第三条需要使用满足共尾条件的正规子网概念,任意挑选若干项并不够。

直觉

收敛没有要求点列在图形上直线靠近极限。它只要求任何预先指定的局部观察窗口,最终都能把余下全部项留在里面。极限由空间的邻域系统决定,索引只负责组织“最终”。

序列只能按可数步骤推进。若一个点附近有不可数多项彼此独立的局部条件,就未必能把它们排成一张自然数清单。网允许用“已经满足的有限条件集合”作索引;有向性保证任意两个阶段之后仍有一个共同的更晚阶段。

加细拓扑会增加邻域,因此收敛更严格;加粗拓扑会删除检验条件,更多网可能获得极限。极限是否唯一则是另一问题,它由分离性质控制,而不是由索引是否是序列决定。

例子与边界

离散空间中,{p}p 的邻域,所以网收敛到 p 当且仅当它最终恒等于 p。平凡拓扑中每点唯一的开邻域是全空间,于是每个网收敛到每个点。

在 Sierpiński 空间 {0,1}、拓扑 {,{1},{0,1}} 中,常值网 xα=1 同时收敛到 10:它显然最终进入 {1},而 0 的唯一邻域是全空间。这个非唯一性来自空间非 Hausdorff,并非网定义的缺陷。

I 不可数,X={0,1}I积拓扑E 为所有有限支撑点。恒为 1 的点 1 位于 E。按有限子集 FI 的包含关系定向,令 xFF 上取 1、其余坐标取 0;每个有限坐标条件最终都满足,所以 xF1

却没有 E 中的序列收敛到 1。一列有限支撑点的支撑并至多可数,取 iI 落在该并之外,则这一列在第 i 坐标始终为 0,不可能逐坐标收敛到 1。这精确展示了序列遗漏闭包点的方式。

对子网也要保留“最终访问每个原尾部”的条件。一个常值子族即使从原网取值,也可能只停留在早期反复出现的项上;若索引映射不共尾,它不能用于判定紧致性或聚点。

推论与应用

Hausdorff 空间中,网的极限至多一个。若 xα 同时趋于不同点 p,q,取不交邻域 UpVq;网最终同时落入二者,与 UV= 矛盾。反过来,若每个网至多有一个极限,则空间必 Hausdorff,所以极限唯一性恰好刻画 Hausdorff 条件。

第一可数空间在每点有可数局部基,可以沿基逐层选点。因此序列足以检测闭包与连续性。度量空间属于此类;但第一可数本身并不保证所有关于紧致性的序列版本都与开覆盖紧致自动等价,相关结论仍需核对附加条件。

积拓扑中的网收敛恰好等价于逐坐标收敛:若 xαx,连续投影给出每个坐标收敛;反向只需注意每个基本邻域限制有限多个坐标,再由有向性找到同时满足这些坐标条件的阶段。箱拓扑允许无限坐标同时受限,故不再享有这一简单刻画。

商空间中的收敛没有同样无条件的“逐纤维”规则。连续商投影会把原空间收敛网送成商空间收敛网,但商中的每个收敛网未必能在不取子网、也不加额外条件时提升成原空间收敛网。把积与商的泛性质机械类比,会在这里产生错误结论。

参考资料
  • John L. Kelley, General Topology, Springer, 1955, Chapter 2.
  • Stephen Willard, General Topology, Dover, 2004, Chapters 4–5.
  • James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000, §17 and the supplementary discussion of nets.
关系图谱12 个相邻概念 · 2 类关系

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