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定义Definition

网

Net · Moore–Smith net · 拓扑网

以有向集为索引的点族,用共同后继表达一般拓扑中的逼近。

形式陈述 ​

设 (D,⪯) 是非空有向集:⪯ 是自反、传递的预序,任意 d1,d2∈D 都有共同上界 e,使 d1⪯e 且 d2⪯e。取值于集合 X 的网是函数

x:D→X,d⟼xd.

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 X 是拓扑空间,网收敛到 p∈X 的定义为

∀U∈N(p),∃d0∈D,∀d⪰d0,xd∈U,

其中 N(p) 是 p 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 E 是有向集,ϕ:E→D 单调且像共尾,即

∀d∈D,∃e∈E: d⪯ϕ(e),

则 ye=xϕ(e) 是 x 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 ϕ 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 I 是不可数集合,考虑空间 X={0,1}I 的积拓扑。一个基本邻域只约束有限多个坐标的值。以 I 的全部有限子集 F 为索引,按包含关系排序,并令

xF(i)=1{i∈F}.

这是一张由有限支撑点组成的网,它收敛到每个坐标都为 1 的点 1。证明只需看一个要求集合 K⊆I:K 有限时,取 F0=K;以后所有 F⊇K 都在要求的坐标上取值为 1。

但任何有限支撑点组成的序列 z1,z2,… 都不能收敛到 1。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 i,所有 zn(i) 都为零。要求第 i 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 p∈A―,则每个邻域 U 都与 A 相交。取索引对

D={(U,a):U∈N(p), a∈U∩A},

并按邻域反向包含规定 (U,a)⪯(V,b) 当且仅当 V⊆U,令 x(U,a)=a。任意两个邻域的交仍是邻域,且与 A 相交,所以此预序有向。给定邻域 W,从某个 (W,a0) 往后,所取点全部位于 W 中,故这张网收敛到 p。

反过来,若 A 中的一张网收敛到 p,每个 p 的邻域都包含该网的某个点,所以 p∈A―。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 xn=1/(n+1)。定义 ϕ(k)=k(k 为偶数),ϕ(k)=0(k 为奇数)。它的像无界,因此作为自然数子集是共尾的;但是 xϕ(k) 每隔一项又回到 1,并不趋于零。失败原因是 ϕ 不单调,也不满足最终留在每个原尾部的要求。

相对地,ϕ(k)=⌊k/2⌋ 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 p,q,取不相交的邻域 U,V。收敛分别给出进入 U 和 V 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 U∩V,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 1,1/2,1/3,… 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。
关系图谱10 个相邻概念 · 3 类关系

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