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邻域

Neighborhood

包含某个围住指定点的开集,从而表达该点局部信息的集合。

条目类型
定义

形式陈述

X 为拓扑空间,xX。集合 NX 称为 x 的邻域,若存在开集 U 使

xUN.

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。

x 的全部邻域组成邻域族 N(x)。它具有四项性质:

  1. 每个 NN(x) 都含 x
  2. N1,N2N(x) 时,N1N2N(x)
  3. NN(x)NM 时,MN(x)
  4. 每个 NN(x) 都含某个 MN(x),使 N 是每一点 yM 的邻域。

满足这些公理的邻域系统可以反过来恢复拓扑:

U 开xU,UN(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。

BxN(x) 且每个 NN(x) 都包含某个 BBx,则 Bx 称为 x 的局部基。检验局部命题时只遍历 Bx 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]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 Br(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:

n1(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

xα 收敛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:XYx 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 NM 依次取为 ε 球和 δ 球,就恢复熟悉的 εδ 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.
关系图谱10 个相邻概念 · 1 类关系

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