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定义Definition

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。

形式陈述 ​

“存在一种度量”是定义的一部分 ​

拓扑空间 X 称为 Polish 空间,若存在度量 d,使 d 诱导原来的拓扑,(X,d) 是完备度量空间,并且 X 有可数稠密子集。相容表示开集完全相同;可分表示可以用可数个点逼近任意位置。[1, §1]

这是拓扑空间的性质。定义没有要求每个相容度量都完备,也没有指定某个必须使用的距离。判断一个空间是否 Polish,要分别交代相容性、完备性、可分性,少一项都不够。

可分度量空间都是第二可数空间。具体取可数稠密集 D,以 D 中的点为中心、正有理数为半径的球组成可数基:对 x∈U,先取 B(x,ε)⊆U,再选足够近的 d∈D 和有理半径 r,使 x∈B(d,r)⊆B(x,ε)。空空间用空基即可。因此 Polish 条件确实给出了可数的拓扑观察基。

可数乘积的具体度量 ​

本页允许空 Polish 空间;若某个因子为空,可数乘积也为空,结论直接成立。以下设各因子非空。若各 Xn 有相容完备度量 dn,可先以 min(1,dn) 代替它,再在可数乘积上定义

D(x,y)=∑n=0∞2−n−1min{1,dn(xn,yn)}.

有限个坐标控制头部,几何级数控制尾部,所以 D 诱导乘积拓扑。若 (x(k)) 是 D-Cauchy 列,则每个坐标都是 dn-Cauchy 列,得到坐标极限 xn。先使级数尾部小于 ε/2,再同时控制剩下有限个坐标,就有 D(x(k),x)→0。

在每个因子选可数稠密集及一个基点。只允许有限个坐标偏离基点,并从对应稠密集中取值,得到可数稠密集。三项条件因此都得到验证;“每个坐标都收敛”之外,还必须有上述尾部估计。[1, Example 1.3]

直觉

可分性给空间一套可数的观测坐标;完备化的能力让相容的逐步近似最终对应空间里的对象。二者一起,使无限路径、函数和分布能够使用可数编码,而不在取极限时意外离开模型。

这里允许更换距离,却不允许更换什么叫开集。把靠近边界的点在新距离中拉远,可以阻止一列点在有限距离内逃向被删掉的端点;有限位置上的连续性仍保持不变。

例子与边界

开区间没有被它的通常距离判死刑 ​

在 (0,1) 中,通常距离使 1/n(n≥2)成为没有空间内极限的 Cauchy 列。取

h(x)=log⁡x1−x,ρ(x,y)=|h(x)−h(y)|.

h 是到 R 的同胚,所以 ρ 与原拓扑相容;按 ρ 衡量时,h 又是到通常实线的等距双射,因此 ρ 完备。通常有理点在原拓扑稠密,在相同的新拓扑也稠密。因此 (0,1) 是 Polish。此时 h(1/n)=−log⁡(n−1) 发散,原来的反例列不再是 ρ-Cauchy 列。

可分不等于 Polish,完备也不等于 Polish ​

Q 通常拓扑可分,却不存在相容完备度量。它是可数个闭单点的并,且每个单点内部为空;Baire 范畴定理禁止非空完全可度量化空间被这样的可数集合覆盖。仅指出通常距离不完备还不能得出这个结论,因为开区间已经说明度量可以更换。

另一方面,不可数集合配离散度量 d(x,y)=1(x≠y)是完备空间,但任何稠密集必须包含每个点,因此不可分,也不是 Polish。完备性和可分性处理不同障碍。

子空间要检查哪一种闭合条件 ​

Polish 空间的闭子空间沿用完备度量。更一般地,子空间是 Polish 当且仅当它是原空间的 Gδ 集,即可数个开集之交。[1, §1] 正向和反向都是定理,不能把“Borel 子集”直接替换成 Gδ:Q⊆R 是 Borel 集,却不是 Polish 子空间。

推论与应用

Cantor 空间与 Baire 空间是上述乘积构造最直接的两种实例。前者每个坐标只有两种选择,后者每个坐标有可数种选择;两者都 Polish,但紧性不同。

概率论中常把随机对象的值域选为 Polish 空间。Prokhorov 定理在这样的空间上将概率测度的一致紧性转成弱子列收敛。使用定理前,应证明值域拥有所需拓扑,而不是只在记号中给它写上一个度量。

若只关心可测事件,便可遗忘具体拓扑,转到标准 Borel 空间。这个步骤保留的结构比同胚少,所以不能把 Borel 同构当成保持距离或紧性的变换。

参考资料
关系图谱41 个相邻概念 · 3 类关系

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