“正规性分离闭集,Urysohn 引理产出连续函数到 $[0,1]$。它是Tietze 延拓定理的核心构件,并在 Urysohn metrization 中用可数族分离函数嵌入可度量立方体。分…”
形式陈述 ​
这里
若只关心一点
映射在每一点连续当且仅当它整体连续。证明从目标开集
下列条件与整体连续性等价:
- 每个闭集
的逆像 在 中闭; - 对每个
,有 ; - 对每个网
,都有 。
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
若
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
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
同一底集上的恒等映射清楚显示拓扑的方向。若
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
连续双射仍可能丢失逆方向的局部信息。映射
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:
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
积拓扑与商拓扑给出相反方向的快速检验。映射
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.