基 (拓撲學)
在拓扑学的相关领域中,拓撲基(base 或 basis) 是一群子集,可以由它們的任意并集構成一個拓扑結構。基在拓扑学的作用在於許多拓撲的性質可轉換成基的性質,像是拓撲意義下的连续就可以直接對基來做定義。
動機
拓撲基的動機是想定義一群特殊的子集,它們的任意并集都是「开」的;嚴謹來說,若 為集合 的一個子集族,怎樣能使 內任意一群子集之并集所組成的 :
為 上的拓扑:
證明 |
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以下逐條檢驗拓扑的定義: (1) 等價於「 」的條件 若 ,則:
考慮到 ,所以根據有无限并集性質的定理(1)與(2)有 但根據无限并集性質的定理(1),(a)又等價於: 所以有: 所以從 有:
反之若有 (a1),因為 ,所以有 。故在本定理的前提下,(a1)等價於 。 (2) 首先考慮到 ,然後從无限并集性質的定理(0)有 ,故 。 (3) 對任意 有 首先, 可等價地展開為
上式可直觀地解釋成「 都是 內某些集合的并集」,既然如此,取一個蒐集各種不同 的子集的集族 : 這樣根據有限交集的性質, 等價於 考慮到一阶逻辑的定理(Ce),將 移至最前,再將移入括弧內 ,上式就依據(Equv)而等價於 也就等價於 根據无限并集性質的定理(4),從(b)有 這樣根據无限并集性質的定理(1)又會有 考慮到 ,從无限并集性質的定理(1)與定理(2)有 所以最後從(b)有 所以 最後等價於 換句話說 這樣考慮到 就有 所以在本定理的前提下, 對所有 都有 。 (4)等價於「 則 」的條件 若
因取任意 都有: 故 ,換句話說從假設(P)可以推出:
另一方面, 可等價地展開為: 因為 可等價地展開為: 所以在 的前提下 又可更進一步等價地展開為: 這樣的話,若取一個包含所有 的集族: 這樣就有: 而且考慮到 和 ,所以在(P')的前提下,所有的 都在 裡,換句話說, ,故從上小結的結果有: 所以,(P')跟(P)等價。 綜合上面的(a1)、(a2)、和(P'),本定理得證。 |
一般會根據无限并集性質的定理(4),將第二個條件等價的寫為:
- 「對所有 , 」
也就等價於:
- 「所有的 ,對任意 都存在 使得 」
定義
由上面動機一節的定理,可以作如下的定義:
重要性質
證明 |
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設 所生成的拓撲是 ;另一方面包含 的最粗拓撲為 。
根據最粗拓撲的定義有:
那以量词公理(A4) 將 去掉會有: 因為 是 所生成的拓撲,配合(D2)有:( 為 「 是 的拓撲基」的正式敘述) 另一方面,根據拓撲基的定義有: 那從普遍化元定理就有: 套用(GEN)將 重新加入就會有: 故本定理得証。 |
定理 —
和 都是集合 的拓撲基,而 為 生成的拓撲; 為 生成的拓撲,則以下兩敘述價
證明 |
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- 如果 B1,B2,...,Bn 是拓撲 T1,T2,...,Tn 的基,則集合積 B1 × B2 × ... × Bn 是乘積拓撲 T1 × T2 × ... × Tn 的基。在無限乘積的情況下這仍適用,除了出現有限多個基元素之外全部都必須是整個空間之外。
- 設 B 是 X 的基并設 Y 是 X 的子空間。那么如果我們交 B 的每個元素於 Y,結果的集合的搜集是子空間 Y 的基。
- 如果函數 f:X → Y 映射 X 的所有基元素到 Y 的一個開集,它是一個開映射。類似的,如果 Y 的一個基元素的所有原像在 X 中是開集,則 f 是連續函數。
- X 的子集的搜集是 X 上的拓撲當且僅當它生成自身。
- B 是拓撲空間 X 的基,當且僅當 B 的包含 x 的元素的子搜集形成在 x 上的局部基,對于 X 的任何點 x。
- 給定拓撲的一個基,要證明網或序列的收斂,在包含假定極限的所有基中的集合中最終證明它就是充分的。
閉集基
閉集同樣擅長描述空間的拓撲。因為有對於拓撲空間的閉集的對偶的基的概念。給定一個拓撲空間 X, X 的閉集基是閉集的集合族 F 使得任何閉集 A 是 F 的元素的交集。
等價的說,閉集族形成了閉集基,如果對於每個閉集 A 和每個不在 A 中的點 x,存在一個 F 的元素包含 A 但不包含 x。
容易檢查 F 是 X 的閉集基,當且僅當 F 的成員的補集的集合族是 X 的開集基。
設 F 是 X 的閉集基。則
- ∩F = ∅
- 對於每個 F1 和 F2 在 F 中,并集 F1 ∪ F2 是 F 的某個子族的交集(就是說,對于任何不在 F1 或 F2 的 x,存在一個 F3 在 F 包含 F1 ∪ F2 并不包含 x)。
滿足這些條件的集合 X 的任何子集搜集形成 X 上的拓撲的閉集基。這個拓撲的閉集完全就是 F 的成員的交集。
在某些情況下,更習慣使用閉集基而非開集基。例如,一個空間是完全正規空間,當且僅當它的零集形成了閉集基。給定任何拓撲空間 X,零集形成在 X 上某個拓撲的閉集基。這個拓撲將是 X上比最初的要粗的最細的完全正規拓撲。在類似的脈絡下,在 An 上的 Zariski拓撲被定義為選取多項式函數的零集作為閉集基。
注釋
參考文獻
- James Munkres (1975) Topology: a First Course. Prentice-Hall.
- Willard, Stephen (1970) General Topology. Addison-Wesley. Reprinted 2004, Dover Publications.