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定义Definition

道路连通空间

施工中 · 内容逐步修订

Path-connected space

任意两点可由从单位区间出发的连续路径连接。

形式陈述 ​

拓扑空间 X 称为道路连通,若任意 x,y∈X 都有连续映射 γ:[0,1]→X 满足 γ(0)=x、γ(1)=y。γ 称为从 x 到 y 的道路;定义域取通常拓扑的闭单位区间。

“存在道路连接”是等价关系。常值道路给出自反性,t↦γ(1−t) 给出对称性。若 γ 从 x 到 y,η 从 y 到 z,拼接

(γ∗η)(t)={γ(2t),0≤t≤1/2,η(2t−1),1/2≤t≤1

在接合点取值一致,因而连续,给出传递性。等价类称道路分支。

直觉

道路是连续运动的参数化轨迹。参数 t 只负责顺序与连续性,允许停顿、回头、自交,也不要求可微或长度有限。所以道路连通比“能用光滑曲线连接”适用更广。

道路连通必蕴含连通。若 X 被两个非空不交开集分开,分别在两侧取端点,连接它们的道路将通过逆像把 [0,1] 也分为两个非空开部分。这与实区间的连通性矛盾。该证明依赖的是参数区间连通,而不是轨迹的图形好看。

例子与边界

欧氏空间的凸子集道路连通:γ(t)=(1−t)x+ty 始终留在集合中。凸性是充分条件而非必要条件;穿孔平面 R2∖{0} 不凸,却能先沿径向到单位圆、沿圆弧绕行,再径向到终点。

连通不必道路连通。拓扑学家的正弦曲线

T={(x,sin⁡(1/x)):0<x≤1}∪({0}×[−1,1])

是连通图像的闭包,故连通,却没有从竖线到振荡图像的道路。若存在这种道路,考察它最后离开竖线的参数时刻 a;此后横坐标为正且趋于零。由介值性,任意接近 a 的一小段路径都会经过横坐标使正弦值等于 1 和 −1 的点,这与纵坐标在 a 连续矛盾。

一族道路连通子集若共有一点,其并道路连通,因为可经公共点拼接道路。只有闭包相交则不够,例如 (−1,0)∪(0,1) 的两部分闭包相交,但原集合仍有两个道路分支。

推论与应用

连续像保持道路连通:若 f:X→Y 连续,直接后复合 f∘γ 就得到像中的道路。道路分支总包含在连通分支中,通常可以更细。

若每个点有道路连通开邻域基,道路分支就是开集;连通空间不能被多个这样的开分支分开,因此局部道路连通空间的两种分支一致。流形属于这一类。进一步固定道路端点并研究同伦,便进入基本群;覆叠空间则通过提升道路记录绕行历史。

参考资料
  • James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000,§24,道路连通与拓扑学家的正弦曲线。
  • Allen Hatcher, Algebraic Topology, Cambridge University Press, 2002,§1.1 “Paths and Homotopy”。
关系图谱10 个相邻概念 · 4 类关系

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