形式陈述
设 X 为拓扑空间,x ∈ X 。集合 N ⊆ X 称为 x 的邻域,若存在开集 公理库 开集 Open set 拓扑中被指定为开放的子集,是邻域、连续性与局部构造的基本单位。 U 使
x ∈ U ⊆ N . 若 N 本身开放,则称它为 x 的开邻域。本库采用上述较宽定义;有些教材把“邻域”限定为开邻域,阅读定理时应先核对约定。
点 x 的全部邻域组成邻域族 N ( x ) 。它具有四项性质:
每个 N ∈ N ( x ) 都含 x ;
N 1 , N 2 ∈ N ( x ) 时,N 1 ∩ N 2 ∈ N ( x ) ;
N ∈ N ( x ) 且 N ⊆ M 时,M ∈ N ( x ) ;
每个 N ∈ N ( x ) 都含某个 M ∈ N ( x ) ,使 N 是每一点 y ∈ M 的邻域。
满足这些公理的邻域系统可以反过来恢复拓扑:
开 U 开 ⟺ ∀ x ∈ U , U ∈ N ( x ) . 因此用开集或用邻域作为出发点能够描述同一拓扑,但一个具体邻域始终是相对于某个点而言的。
若 B x ⊆ N ( x ) 且每个 N ∈ N ( x ) 都包含某个 B ∈ B x ,则 B x 称为 x 的局部基。检验局部命题时只遍历 B x 即可,不必处理所有邻域。
直觉
邻域表达“这个集合给点留出了一小块空间”。集合本身可以带着远处的边界或额外点;只要其中藏着一个真正围住该点的开集,它就足以承载关于该点的局部陈述。
局部基像一套可不断缩小的观察窗口。任何邻域都能被某个基本窗口细化,所以收敛、连续或局部紧致的全称条件只需在这些窗口上验证。基的成员不必按数值半径编号,也不必可数。
拓扑越细,一个点拥有的邻域越多,因为更多开集可以围住它。相应地,要求一个网最终进入每个邻域会更严格;这解释了为什么加细拓扑会减少收敛关系。
例子与边界
在通常实线中,[ − 1 , 1 ] 是 0 的邻域,因为它包含开区间 ( − 1 , 1 ) ;它不是端点 1 的邻域,因为没有包含 1 的实线开集能完全落在 [ − 1 , 1 ] 内。邻域关系必须同时注明集合和点。
度量空间中,所有开球 B r ( x ) 构成 x 的局部基。事实上,任意含 x 的邻域都包含某个这样的球。半径 1 / n 的开球已经足够,这也是度量空间第一可数的直接原因。
在子空间 Y = [ 0 , 1 ] 中,
[ 0 , 1 / 2 ) = Y ∩ ( − 1 , 1 / 2 ) 是点 0 的开邻域。把同一集合放回 R ,它却不再是 0 的邻域。邻域继承的是子空间拓扑,而不是环境空间中开球的完整形状。
离散拓扑中,任何含 x 的集合都是 x 的邻域,因为它包含开单点 { x } 。平凡拓扑中,每个点只有一个邻域,即 X ;这里所谓“及其超集”不会产生更多集合,因为邻域已被要求是 X 的子集。
有限个邻域的交仍是邻域,任意交则未必:
⋂ n ≥ 1 ( − 1 / n , 1 / n ) = { 0 } 在实线中不再是 0 的邻域。把“最终进入每个邻域”误写成“最终进入所有邻域的交”,会把收敛错误地加强为最终等于极限。
推论与应用
网 x α 收敛 公理库 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。 到 x ,恰指它最终进入 x 的每个邻域。若已有局部基,只检查基成员即可。这个定义同时覆盖度量序列、不可数乘积中的坐标逼近以及非第一可数空间中的一般网。
映射 f : X → Y 在 x 连续,可用邻域写成:对 f ( x ) 的每个邻域 N ,存在 x 的邻域 M 使
f ( M ) ⊆ N . 在度量空间中,把 N 与 M 依次取为 ε 球和 δ 球,就恢复熟悉的 ε –δ 条件。
聚点、局部紧致和局部连通都通过“每个邻域”或“存在特殊邻域基”表达。第一可数性 公理库 第一可数空间 First-countable space 每一点都有可数邻域基的拓扑空间。 要求每点有可数局部基;它把可能不可数的邻域检验压缩成一列,从而让序列足以探测局部拓扑。
参考资料
James R. Munkres, Topology , 2nd ed., Prentice Hall, 2000, §§13, 17.
John L. Kelley, General Topology , Springer, 1955, Chapter 2.
Stephen Willard, General Topology , Dover, 2004, Chapters 2–4.