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子空间拓扑

Subspace topology

用环境开集与子集相交,使子集继承母空间局部结构的拓扑。

条目类型
定义

形式陈述

(X,τ)拓扑空间YXY 上的子空间拓扑定义为

τY={YU:Uτ}.

它确实是拓扑,因为

YiUi=i(YUi),Y(U1U2)=(YU1)(YU2).

所以 VYY 中开,当且仅当存在 X 中开集 U 使 V=YU。取补可得闭集版本:CYY 中闭,当且仅当 C=YF,其中 FX 中闭。

i:YX 为包含映射。子空间拓扑是使 i 连续的最粗拓扑,并满足泛性质:对任意拓扑空间 Z 和映射 f:ZY

f:ZY 连续if:ZX 连续.

正向由复合连续得到;反向则对 YU 取逆像,得到 (if)1(U) 开。这一性质准确表达了“把值域限制在 Y 后,不增加额外连续性条件”。

BX 的拓扑基,则

BY={BY:BB}

Y 的基,空交集成员可以删去。度量空间的子集把原距离限制到 Y×Y,所得度量拓扑恰与这里的子空间拓扑一致。

直觉

子空间只看仍留在 Y 中的方向。环境开集碰到子集边缘时,落在空间外的那一半已经不存在,所以剩下的半邻域可以在 Y 内开放。

“相对开”并非较弱版本的“环境开”,而是类型不同的陈述。它们分别属于 P(Y)P(X),每次写开、闭、内部或边界都应明确环境。

包含映射的泛性质把继承规则压缩成一个检验接口:任何通向子空间的映射,只需把它看作通向母空间的映射来检查连续性。这也是嵌入定义把像赋予子空间拓扑的原因。

例子与边界

Y=[0,1]R。集合

[0,1/2)=Y(1,1/2)

Y 中开,却不在 R 中开。相对开集不是简单的 τP(Y):后者只保留那些本来就在环境中开放的子集,会漏掉边缘处的半邻域。

同一集合也可能相对闭。例如 (0,1/2]Y=(0,1) 中等于

Y(,1/2],

所以在 Y 中闭,而在实线中不闭。相对开与相对闭都由与母空间相交得到,只是使用的母空间集合类型不同。

AYX,则闭包满足

A,Y=YA,X.

一边由右侧是在 Y 中包含 A 的闭集得到,另一边用 Y 中闭集写成 YF。内部却没有一般公式 intYA=YintXA:取 A=Y=[0,1] 时,左边是 Y,右边只有 (0,1)

子空间构造具有传递性。若 AYX,先给 Y 子空间拓扑、再给 A 子空间拓扑,得到的开集仍恰是 AUUX 中开)。因此分阶段限制不会产生第三套拓扑。

子空间不会自动继承所有整体性质。任意子空间继承 Hausdorff 性和可度量性,紧空间的闭子空间紧;但紧空间的任意子空间未必紧,连通空间的子空间也可能断开,例如 [0,1] 的子空间 [0,1/3][2/3,1]

推论与应用

f:XZ 连续,则限制 f|Y:YZ 连续,因为它是 f 与包含映射的复合。若 f:XZ 的像落在子空间 WZ,把陪域缩成 W 后仍连续,正是上述泛性质的另一种读法。

映射 e:YX 称为拓扑嵌入,当它是 Y 到像 e(Y)(取子空间拓扑)的同胚。单射连续只给出正向局部控制,未必是嵌入;还需保证定义域拓扑与像继承的拓扑完全吻合。

许多性质的“子集版本”默认使用子空间拓扑。紧子集、连通子集、局部道路连通的开片以及空间对 (X,A) 都依赖这一约定;若另行赋予 A 一套拓扑,相关结论便可能改变。

子空间、积和商构造各由不同映射方向决定:包含映射把子空间送入母空间,投影把积空间送到因子,商投影把原空间送到商空间。记住箭头方向,比背诵三套开集公式更不易混淆。

参考资料
  • James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000, §16.
  • John M. Lee, Introduction to Topological Manifolds, 2nd ed., Springer, 2011, Chapter 3.
  • Stephen Willard, General Topology, Dover, 2004, Chapter 3.
关系图谱13 个相邻概念 · 2 类关系

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