形式陈述
Cantor 空间是 ,Baire 空间是 。每个字母表取离散拓扑,序列空间取乘积拓扑公理库积拓扑Product topology在笛卡尔积上由有限坐标条件生成、并使所有坐标投影连续的最粗拓扑。。有限串 的柱集
构成可数的开闭基。柱集开,是因为只约束有限坐标;其补集也是开,因为首次违背前缀的位置可以由有限观察发现。
两种空间都可用同一个度量公理库度量空间Metric space用满足正定性、对称性与三角不等式的实值距离刻画点间远近的空间。公式: 时 ;否则令 为首次不同的坐标,取 。例如 与 首次在坐标 不同,距离为 。它满足更强的超度量不等式
原因是:若两对序列各自共享前 位,第三对也共享这 位。足够小的球就是固定前缀的柱集,故这个度量诱导上述拓扑。[1, §1]
直觉
序列的一次有限观察只告诉我们一个前缀。增加观察长度,就是沿着前缀树向下走;每下降一层,允许的延续更少。度量表示区分两条序列要等多久,而不是逐位数值差的大小。Baire 空间中,首位分别为 和 的两条序列距离也只是 。
例子与边界
两者为何完备、可分
设 为 Cauchy 列。给定 ,最终两项距离小于 ,所以它们在坐标 上一致。每个坐标因此有最终值;把这些值拼成 ,便有 。极限仍使用原字母表,因而仍在空间中。
所有“某处之后恒为零”的序列构成可数稠密集:每个非空柱集 都含 。所以两者都是 Polish 空间公理库Polish 空间Polish space可分且可完全度量化的拓扑空间;用换度量、可数乘积和子空间例子区分拓扑性质与指定度量的完备性。。这一证明允许字母取值无界,因为它只要求每个坐标最终稳定。
紧性在哪里分开
在 Cantor 空间中,从任意序列列 先取首位相同的无限子列,再取第二位相同的无限子列,依次进行。每层只有两个选择,至少一个保留无限项。对角抽取便得到收敛子列;由度量空间中序列紧与开覆盖紧的等价性公理库紧空间Compact space每个开覆盖都能缩减为有限子覆盖的拓扑空间。,Cantor 空间紧。
Baire 空间的开覆盖 没有有限子覆盖:遗漏任何 就遗漏所有首位为 的序列。也可看 ;任意两项距离为 ,没有收敛子列。两者的差别是有限分支与无限分支,不是完备与不完备。
实数编码不要混淆两种展开
映射
把 Cantor 空间同胚到实线的三分 Cantor 集。若首个不同位置为 ,该项差为 ,而其后最大抵消量为 ,所以不同序列不会合并。
改用二进展开 则不单射:。它仍是到 的连续满射,却不是同胚。数码集合与它在实线中的数值必须分清。
推论与应用
闭集可以由允许的有限前缀树表示。若 闭,令 包含所有能延续到 中某点的前缀,则 ;若 ,某个柱集邻域已与 不交,于是 的某个前缀不在树上。这样按“可延续到 ”选出的树没有死结点。若改用一般的前缀封闭树表示同一个闭集,则可以额外带有死结点;它们不产生无限路径。
解析集公理库解析集与余解析集Analytic set · Coanalytic set以闭集投影定义解析集,通过树的无限分支展示存在性见证及超出 Borel 的边界。用 Baire 空间中的无限序列作见证,再将见证坐标投影掉。Martin-Löf 随机性公理库Martin-Löf 随机性Martin-Löf randomness · 马丁–勒夫随机性以统一可枚举、概率预算趋于零的开集检验,定义单条无限比特序列的随机性,并构造通用检验。则在 Cantor 空间的柱集上分配公平币概率。拓扑定义本身不选择概率;给柱集质量 是另外加上的结构。
参考资料