形式陈述
设 为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。,。 上的子空间拓扑定义为
它确实是拓扑,因为
所以 在 中开,当且仅当存在 中开集 使 。取补可得闭集版本: 在 中闭,当且仅当 ,其中 在 中闭。
令 为包含映射。子空间拓扑是使 连续的最粗拓扑,并满足泛性质:对任意拓扑空间 和映射 ,
正向由复合连续得到;反向则对 取逆像,得到 开。这一性质准确表达了“把值域限制在 后,不增加额外连续性条件”。
若 是 的拓扑基,则
是 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 ,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 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 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 与 ,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
令 。集合
在 中开,却不在 中开。相对开集不是简单的 :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 在 中等于
所以在 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。
若 ,则闭包满足
一边由右侧是在 中包含 的闭集得到,另一边用 中闭集写成 。内部却没有一般公式 :取 时,左边是 ,右边只有 。
子空间构造具有传递性。若 ,先给 子空间拓扑、再给 子空间拓扑,得到的开集仍恰是 ( 在 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 的子空间 。
推论与应用
若 连续公理库拓扑连续性Topological continuity · Continuous map目标开集的逆像始终开放,从而在不使用距离时表达映射不破坏局部邻近。,则限制 连续,因为它是 与包含映射的复合。若 的像落在子空间 ,把陪域缩成 后仍连续,正是上述泛性质的另一种读法。
映射 称为拓扑嵌入,当它是 到像 (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 都依赖这一约定;若另行赋予 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.