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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。

条目类型
定义

形式陈述

X,Y 为拓扑空间,映射 f:XY 称为连续,若对每个目标开集 VY 都有

f1(V) 在 X 中开.

这里 f1(V) 是集合的逆像,不要求 f 可逆。逆像严格保持任意并、任意交与补集,因而与拓扑的开集公理天然相容。

若只关心一点 xX,则 fx 连续,是指对 f(x) 的每个邻域 N,都存在 x 的邻域 M 使

f(M)N.

映射在每一点连续当且仅当它整体连续。证明从目标开集 V 出发,为每个 xf1(V) 选择一个被拉入 V 的开邻域,再取这些邻域的并。

下列条件与整体连续性等价:

  • 每个闭集 FY 的逆像 f1(F)X 中闭;
  • 对每个 AX,有 f(A)f(A)
  • 对每个网 xαx,都有 f(xα)f(x)

闭集版本来自逆像与补集可交换。闭包版本的正向证明是:若 f(x) 有邻域避开 f(A),其逆像会给 x 一个避开 A 的邻域;反向取 A=f1(F) 并使用闭集 F。网版本则把邻域条件逐项读取,因此在任意拓扑空间都成立。

BY拓扑基,只需验证每个 BB 的逆像开放。任意目标开集都是基元素的并,而逆像保持并,这给连续性提供了最经济的全局检验。

直觉

目标空间中的开集可以看作一次局部可观测条件。连续性要求把这一条件搬回定义域后,仍可由定义域的局部信息识别。若一个输出落在 V 内,那么输入附近也必须有一小片区域全部送进 V

定义采用逆像,理由不是形式习惯。像集通常不保持交或补,且连续映射可以压缩整个区域;逆像无论映射是否单射、满射,都完整保存开集运算。拓扑连续由此可以稳定地复合。

连续性只约束邻近结构。它不提供距离变化率、统一误差尺度或可逆性;这些分别属于 Lipschitz/一致连续和同胚等更强概念。

例子与边界

在度量空间之间,邻域定义恰好恢复 εδ 条件。给定 εBε(f(x)),连续性提供某个 δBδ(x) 映入其中;反向则用每个开集在其点附近含开球的性质。

同一底集上的恒等映射清楚显示拓扑的方向。若 τusualτdisc,那么

id:(R,τdisc)(R,τusual)

连续,因为目标中的每个开集在离散定义域中仍开;反向映射不连续,因为目标离散拓扑中的单点逆像通常不开放。

常值映射总连续:开集的逆像只能是 X。它通常不是开映射;若目标是 T1 空间,它却是闭映射,因为每个非空闭集的像都是闭单点。连续、开映射与闭映射由不同的像或逆像条件定义,彼此不能省略检验。

连续双射仍可能丢失逆方向的局部信息。映射

[0,2π)S1,teit

连续且双射,但逆映射在被切开的圆周点处不连续。只有自身与逆映射都连续,两个空间的拓扑才真正相同。

关于序列要区分必要与充分。连续映射一定保持所有收敛序列;若定义域第一可数,保持序列收敛也足以推出连续。

一般空间中,序列可能看不见某些闭包点,因此需要收敛网。把第一可数条件错误地放在陪域,不能弥补定义域缺少序列检测能力。

推论与应用

恒等映射连续,连续映射的复合仍连续:

(gf)1(W)=f1(g1(W)).

这两条事实使拓扑空间和连续映射组成一个范畴,也解释了大量构造为何以泛性质组织。

连续像保持连通性。若 f(X) 被两个相对开集分离,它们的逆像便分离 X。连续像也保持紧致性:目标中的开覆盖拉回后有有限子覆盖,再把所选成员送回即可。两条证明共享逆像机制,但结论分别处理分离与覆盖。

积拓扑与商拓扑给出相反方向的快速检验。映射 f:ZiXi 连续,当且仅当所有坐标 πif 连续;若 q:XY 是商映射,则 g:YZ 连续,当且仅当 gq 连续。前者把映入积空间的问题拆成坐标,后者把从商空间出发的问题提升回粘合前的空间。

连续双射在额外条件下可自动升级。若定义域紧而陪域 Hausdorff,它把闭集送成紧集,再送成闭集,因而是闭映射,逆映射连续。紧性与分离性各承担一半论证,任一条件都不能无故删去。

参考资料
  • James R. Munkres, Topology, 2nd ed., Prentice Hall, 2000, §18.
  • John M. Lee, Introduction to Topological Manifolds, 2nd ed., Springer, 2011, Chapters 2–3.
  • Stephen Willard, General Topology, Dover, 2004, Chapter 4.
关系图谱49 个相邻概念 · 3 类关系

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