形式陈述
设 是非空有向集公理库有向集Directed set · Directed preorder · 有向预序集以共同后继统一任意有限批进度的非空预序结构。: 是自反、传递的预序,任意 都有共同上界 ,使 且 。取值于集合 的网是函数公理库函数Function · Map · Mapping由定义域、陪域和单值图共同组成,并把每个输入送到唯一输出的映射。
自然数按通常次序构成有向集,所以序列是网的一种情形;一般网的索引无需可数,也不必两两可比较。
若 是拓扑空间公理库拓扑空间Topological space在集合上指定满足并与有限交公理的开集族,以编码邻近、连续和极限。,网收敛到 的定义为
其中 是 的全部邻域。也就是说,对每个所要求的局部范围,存在一个阶段,此后所有更靠后的索引都满足要求。
本条采用一种常用的子网约定:若 是有向集, 单调且像共尾,即
则 是 的子网。单调性与共尾性共同保证:对每个原网的尾部,子网最终一直留在其中。映射 不必单射;子网并不只是“删除一些项”。其他教材也有用最终性直接定义子网的约定,比较定理时应先统一定义。
直觉
序列把所有逼近要求排在一条可数的时间线上。一般拓扑中,要求可能没有可数的清单:每次可以只检查有限多个坐标,但待检查的全部坐标可能不可数。网允许阶段由“现在已经兼顾了哪些要求”来标记,而不强行压缩成第几项。
有向性保证两项已经提出的要求可以一起推进。它不要求任何两个阶段都能比较,只要求可以找到一个共同的后续阶段。这正是同时满足多个邻域或多个有限约束所需要的结构。
例子与边界
一个序列不够、网却足够的逼近
令 是不可数集合,考虑空间 的乘积拓扑。一个基本邻域只约束有限多个坐标的值。以 的全部有限子集 为索引,按包含关系排序,并令
这是一张由有限支撑点组成的网,它收敛到每个坐标都为 的点 。证明只需看一个要求集合 : 有限时,取 ;以后所有 都在要求的坐标上取值为 。
但任何有限支撑点组成的序列 都不能收敛到 。这些点支撑的可数并仍可数,取一个未出现在并集中的坐标 ,所有 都为零。要求第 个坐标等于一的邻域便永远到不了。区别不在“走得够不够快”,而在序列能覆盖的约束范围。
从闭包直接构造网
若 ,则每个邻域 都与 相交。取索引对
并按邻域反向包含规定 当且仅当 ,令 。任意两个邻域的交仍是邻域,且与 相交,所以此预序有向。给定邻域 ,从某个 往后,所取点全部位于 中,故这张网收敛到 。
反过来,若 中的一张网收敛到 ,每个 的邻域都包含该网的某个点,所以 。于是一般拓扑中,闭包恰好可以由网的极限刻画;只用序列时,前面的不可数乘积例子会漏掉闭包中的点。
共尾的像还不够
设原序列 。定义 ( 为偶数),( 为奇数)。它的像无界,因此作为自然数子集是共尾的;但是 每隔一项又回到 ,并不趋于零。失败原因是 不单调,也不满足最终留在每个原尾部的要求。
相对地, 单调且共尾,虽然重复每个索引,仍给出合法子网并保持极限。这样便能看清“抽取后项”和“绝不重复”不是同一条件。
推论与应用
在 Hausdorff 空间中,网的极限唯一。若有不同极限 ,取不相交的邻域 。收敛分别给出进入 和 的两个阶段,有向性再给出它们的共同后继;该处的网值便要同时属于 ,矛盾。若空间不分离,例如两个点上的不可分拓扑,常值网也可能同时收敛到两个点。
在第一可数空间中,每点有可数邻域基,可把它们依次取有限交,得到一列逐步加强的邻域。因此闭包中的点可以用序列逼近;度量空间中的半径 正好提供这样的清单。网的作用是保留这套“最终满足任意局部要求”的机制,而不预设存在可数清单。
紧致性公理库紧空间Compact space每个开覆盖都能缩减为有限子覆盖的拓扑空间。也有网的刻画:空间紧致,当且仅当每张网都有一个收敛子网。一般拓扑中不能无条件用“每个序列都有收敛子序列”替代它。用于无穷求和时,按有限子集包含排序的部分和同样形成网,表达对全部有限部分的共同控制,而不是依赖某个事先选好的枚举顺序。
参考资料
- Ivan Khatchatourian,Nets and Filters,2018,§§3–4 及紧致性部分:有向预序、收敛、闭包、子网与紧致性。
- James R. Munkres,Topology,2nd ed.,2000,Chapter 3 的 Nets 补充练习:网对一般拓扑性质的刻画;进一步阅读。