====== 第一章 拓扑空间 (Topological Spaces) ======

===== 1.1 引言 =====

拓扑学研究的中心问题是连续性。在数学分析中，我们研究 $\\mathbb{R}$ 和 $\\mathbb{R}^n$ 上的连续函数，依赖于距离的概念。然而，许多重要的数学结构（如函数空间、代数簇）并没有自然的度量。拓扑空间的概念提供了一个更一般的框架来研究连续性。

**历史背景**：拓扑学起源于欧拉对七桥问题的研究（1736年），经历了从直观几何到抽象公理化体系的发展。20世纪初，Hausdorff（1914年）和Kuratowski（1922年）建立了现代拓扑学的公理体系。

===== 1.2 拓扑的定义 =====

==== 定义 1.2.1 (拓扑) ====

设 $X$ 是一个非空集合，$\\mathcal{T}$ 是 $X$ 的子集族。如果 $\\mathcal{T}$ 满足以下条件：

(1) **空集和全集**：$\\emptyset \\in \\mathcal{T}$，$X \\in \\mathcal{T}$

(2) **任意并封闭**：若 $\\{U_\\alpha\\}_{\\alpha \\in I} \\subseteq \\mathcal{T}$，则 $\\bigcup_{\\alpha \\in I} U_\\alpha \\in \\mathcal{T}$

(3) **有限交封闭**：若 $U_1, U_2, \\ldots, U_n \\in \\mathcal{T}$，则 $\\bigcap_{i=1}^n U_i \\in \\mathcal{T}$

则称 $\\mathcal{T}$ 为 $X$ 上的**拓扑**（topology），称 $(X, \\mathcal{T})$ 为**拓扑空间**，$\\mathcal{T}$ 中的元素称为**开集**（open sets）。

==== 例 1.2.2 (平凡拓扑) ====

设 $X$ 是任意集合，令 $\\mathcal{T} = \\{\\emptyset, X\\}$。则 $\\mathcal{T}$ 是 $X$ 上的拓扑，称为**平凡拓扑**（trivial topology）或**密着拓扑**。

**验证**：
  - (1) 显然满足
  - (2) $\\emptyset \\cup X = X \\in \\mathcal{T}$
  - (3) $\\emptyset \\cap X = \\emptyset \\in \\mathcal{T}$

==== 例 1.2.3 (离散拓扑) ====

设 $X$ 是任意集合，令 $\\mathcal{T} = \\mathcal{P}(X)$（$X$ 的幂集）。则 $\\mathcal{T}$ 是 $X$ 上的拓扑，称为**离散拓扑**（discrete topology）。

**验证**：幂集对任意并和有限交封闭。

**注**：离散拓扑是 $X$ 上最细的拓扑，平凡拓扑是最粗的拓扑。

==== 例 1.2.4 (余有限拓扑) ====

设 $X$ 是无限集合，令
$$\\mathcal{T}_f = \\{U \\subseteq X : X \\setminus U \\text{ 是有限集}\\} \\cup \\{\\emptyset\\}$$

则 $\\mathcal{T}_f$ 是 $X$ 上的拓扑，称为**余有限拓扑**（cofinite topology）。

**验证**：
  - (1) $\\emptyset \\in \\mathcal{T}_f$，$X \\setminus X = \\emptyset$（有限），故 $X \\in \\mathcal{T}_f$
  - (2) 设 $\\{U_\\alpha\\} \\subseteq \\mathcal{T}_f$，则 $X \\setminus (\\bigcup U_\\alpha) = \\bigcap (X \\setminus U_\\alpha)$。若某个 $U_\\alpha = X$，则并集为 $X$；否则每个 $X \\setminus U_\\alpha$ 有限，交集也有限。
  - (3) 设 $U_1, \\ldots, U_n \\in \\mathcal{T}_f$，则 $X \\setminus (\\bigcap U_i) = \\bigcup (X \\setminus U_i)$ 是有限集的并，故有限。

===== 1.3 开集与闭集 =====

==== 定义 1.3.1 (闭集) ====

设 $(X, \\mathcal{T})$ 是拓扑空间，$F \\subseteq X$。如果 $X \\setminus F \\in \\mathcal{T}$（即补集是开集），则称 $F$ 为**闭集**（closed set）。

==== 命题 1.3.2 (闭集的性质) ====

设 $(X, \\mathcal{T})$ 是拓扑空间：

(1) $\\emptyset$ 和 $X$ 都是闭集

(2) 任意闭集的交是闭集

(3) 有限个闭集的并是闭集

**证明**：由De Morgan律和开集的性质直接得到。

==== 例 1.3.3 ====

在余有限拓扑 $\\mathcal{T}_f$ 中，闭集恰好是有限集和 $X$ 本身。

==== 定义 1.3.4 (拓扑的比较) ====

设 $\\mathcal{T}_1$ 和 $\\mathcal{T}_2$ 是 $X$ 上的两个拓扑。如果 $\\mathcal{T}_1 \\subseteq \\mathcal{T}_2$，则称 $\\mathcal{T}_1$ **粗于**（coarser）$\\mathcal{T}_2$，或 $\\mathcal{T}_2$ **细于**（finer）$\\mathcal{T}_1$。

===== 1.4 邻域与内部 =====

==== 定义 1.4.1 (邻域) ====

设 $(X, \\mathcal{T})$ 是拓扑空间，$x \\in X$，$N \\subseteq X$。如果存在开集 $U$ 使得 $x \\in U \\subseteq N$，则称 $N$ 为 $x$ 的**邻域**（neighborhood）。

**注**：有些教材定义邻域为包含 $x$ 的开集。我们采用更一般的定义。

==== 定义 1.4.2 (开核/内部) ====

设 $A \\subseteq X$，$x \\in X$。如果存在 $x$ 的邻域 $N$ 使得 $N \\subseteq A$，则称 $x$ 为 $A$ 的**内点**。$A$ 的所有内点组成的集合称为 $A$ 的**内部**（interior），记作 $A^\\circ$ 或 $\\text{int}(A)$。

==== 命题 1.4.3 (内部的性质) ====

(1) $A^\\circ$ 是包含于 $A$ 的最大开集，即 $A^\\circ = \\bigcup\\{U \\in \\mathcal{T} : U \\subseteq A\\}$

(2) $A$ 是开集当且仅当 $A = A^\\circ$

(3) $A \\subseteq B \\Rightarrow A^\\circ \\subseteq B^\\circ$

(4) $(A \\cap B)^\\circ = A^\\circ \\cap B^\\circ$

(5) $(A \\cup B)^\\circ \\supseteq A^\\circ \\cup B^\\circ$

**证明**：

(1) 显然 $A^\\circ$ 是开集的并，故开。若 $U \\subseteq A$ 开，则 $U$ 中每点都是内点，故 $U \\subseteq A^\\circ$。

(2) 若 $A = A^\\circ$，则 $A$ 开。反之若 $A$ 开，则 $A$ 中每点都是内点。

(3)-(5) 直接验证。

==== 定义 1.4.4 (闭包) ====

设 $A \\subseteq X$，$x \\in X$。如果 $x$ 的每个邻域都与 $A$ 相交，则称 $x$ 为 $A$ 的**接触点**或**闭包点**。$A$ 的所有接触点组成的集合称为 $A$ 的**闭包**（closure），记作 $\\bar{A}$ 或 $\\text{cl}(A)$。

==== 命题 1.4.5 (闭包的性质) ====

(1) $\\bar{A}$ 是包含 $A$ 的最小闭集，即 $\\bar{A} = \\bigcap\\{F : F \\supseteq A, F \\text{ 闭}\\}$

(2) $A$ 是闭集当且仅当 $A = \\bar{A}$

(3) $A \\subseteq B \\Rightarrow \\bar{A} \\subseteq \\bar{B}$

(4) $\\overline{A \\cup B} = \\bar{A} \\cup \\bar{B}$

(5) $\\overline{A \\cap B} \\subseteq \\bar{A} \\cap \\bar{B}$

**证明**：

(1) $X \\setminus \\bar{A} = (X \\setminus A)^\\circ$，故 $\\bar{A}$ 闭。若 $F \\supseteq A$ 闭，则 $X \\setminus F \\subseteq X \\setminus A$ 开，故 $X \\setminus F \\subseteq (X \\setminus A)^\\circ = X \\setminus \\bar{A}$，即 $\\bar{A} \\subseteq F$。

==== 定义 1.4.6 (边界) ====

$A$ 的**边界**定义为 $\\partial A = \\bar{A} \\setminus A^\\circ$。

===== 1.5 基与子基 =====

==== 定义 1.5.1 (拓扑基) ====

设 $(X, \\mathcal{T})$ 是拓扑空间，$\\mathcal{B} \\subseteq \\mathcal{T}$。如果每个开集都能表示为 $\\mathcal{B}$ 中元素的并，则称 $\\mathcal{B}$ 为 $\\mathcal{T}$ 的一个**基**（basis）。

等价地，$\\mathcal{B}$ 是基当且仅当：对每个 $x \\in U \\in \\mathcal{T}$，存在 $B \\in \/mathcal{B}$ 使得 $x \\in B \\subseteq U$。

==== 定理 1.5.2 (基的判定准则) ====

子集族 $\\mathcal{B} \\subseteq \\mathcal{P}(X)$ 是某个拓扑的基当且仅当：

(1) $\\bigcup_{B \\in \\mathcal{B}} B = X$

(2) 对任意 $B_1, B_2 \\in \\mathcal{B}$ 和 $x \\in B_1 \\cap B_2$，存在 $B_3 \\in \\mathcal{B}$ 使得 $x \\in B_3 \\subseteq B_1 \\cap B_2$

**证明**：必要性显然。充分性：定义 $\\mathcal{T} = \\{\\mathcal{B}\\text{ 中元素的任意并}\\}$，验证 $\\mathcal{T}$ 是拓扑。

==== 例 1.5.3 (实数线上的标准拓扑基) ====

在 $\\mathbb{R}$ 上，$\\mathcal{B} = \\{(a,b) : a < b\\}$ 是标准拓扑的基。

==== 定义 1.5.4 (子基) ====

$\\mathcal{S} \\subseteq \\mathcal{T}$ 称为**子基**（subbasis），如果 $\\mathcal{S}$ 中元素的所有有限交构成一个基。

==== 定理 1.5.5 (由子基生成拓扑) ====

对任意 $\\mathcal{S} \\subseteq \\mathcal{P}(X)$ 满足 $\\bigcup_{S \\in \\mathcal{S}} S = X$，存在唯一的拓扑 $\\mathcal{T}$ 以 $\\mathcal{S}$ 为子基。

===== 1.6 度量诱导的拓扑 =====

==== 定义 1.6.1 (度量空间) ====

设 $X$ 是集合，$d: X \\times X \\to [0, +\\infty)$ 满足：

(1) 正定性：$d(x,y) = 0 \\Leftrightarrow x = y$

(2) 对称性：$d(x,y) = d(y,x)$

(3) 三角不等式：$d(x,z) \\leq d(x,y) + d(y,z)$

则称 $d$ 为 $X$ 上的**度量**（metric），$(X,d)$ 为**度量空间**。

==== 定义 1.6.2 (度量拓扑) ====

在度量空间 $(X,d)$ 中，定义**开球**：
$$B(x, \\epsilon) = \\{y \\in X : d(x,y) < \\epsilon\\}$$

则 $\\mathcal{B} = \\{B(x, \\epsilon) : x \\in X, \\epsilon > 0\\}$ 构成拓扑基，诱导的拓扑称为**度量拓扑**。

==== 例 1.6.3 ====

$\\mathbb{R}^n$ 上的标准度量 $d(x,y) = \\sqrt{\\sum_{i=1}^n (x_i - y_i)^2}$ 诱导标准拓扑。

===== 1.7 序列与极限 =====

==== 定义 1.7.1 (序列收敛) ====

序列 $\\{x_n\\}$ **收敛**于 $x$，记作 $x_n \\to x$，如果对 $x$ 的每个邻域 $N$，存在 $N_0$ 使得当 $n \\geq N_0$ 时 $x_n \\in N$。

==== 命题 1.7.2 ====

在度量空间中，$x \\in \\bar{A}$ 当且仅当存在 $A$ 中的序列收敛于 $x$。

**注**：在一般拓扑空间中，序列收敛不足以刻画闭包（需要网或滤子）。

===== 1.8 典型例题 =====

==== 例题 1.8.1 ====

证明：$\\mathbb{R}$ 上的标准拓扑不能由有限度量诱导。

**证明**：假设 $d$ 诱导标准拓扑。考虑开区间 $(0,1)$，它应该是某些开球的并。但有限度量只能产生有限个开球，无法覆盖不可数集 $(0,1)$ 同时保持标准拓扑结构。更严格地，有限度量空间是离散的，而标准拓扑不是离散的。

==== 例题 1.8.2 ====

设 $X = \\{a, b, c\\}$，求 $X$ 上所有可能的拓扑。

**解**：按开集个数分类：
  - 2个开集：$\\{\\emptyset, X\\}$（平凡拓扑）
  - 3个开集：3种，如 $\\{\\emptyset, \\{a\\}, X\\}$
  - 4个开集：$\\{\\emptyset, \\{a\\}, \\{a,b\\}, X\\}$ 等
  - 5个及以上：逐步构造

共 29 个不同拓扑。

===== 1.9 习题 =====

**习题 1.1** 验证例 1.2.4 中余有限拓扑确实是拓扑。

**习题 1.2** 证明：$\\overline{A \\cup B} = \\bar{A} \\cup \\bar{B}$。

**习题 1.3** 设 $\\mathcal{T}_1$ 和 $\\mathcal{T}_2$ 是 $X$ 上的拓扑，证明 $\\mathcal{T}_1 \\cap \\mathcal{T}_2$ 也是拓扑，但 $\\mathcal{T}_1 \\cup \\mathcal{T}_2$ 一般不是。

**习题 1.4** 证明 $\\partial A = \\bar{A} \\cap \\overline{X \\setminus A}$。

**习题 1.5** 设 $A \\subseteq B \\subseteq \\bar{A}$，证明 $\\bar{B} = \\bar{A}$。

**习题 1.6** 构造一个拓扑空间，其中有不可数多个开集但不可度量。

**习题 1.7** 证明：$(A^\\circ)^c = \\overline{A^c}$。

**习题 1.8** 设 $\\mathcal{B}$ 是拓扑基，证明 $U$ 开当且仅当对每个 $x \\in U$，存在 $B \\in \\mathcal{B}$ 使 $x \\in B \\subseteq U$。

**习题 1.9** 在余可数拓扑中（$U$ 开当 $U = \\emptyset$ 或 $X \\setminus U$ 可数），证明：序列收敛当且仅当最终常值。

**习题 1.10** 证明离散拓扑可度量化（用离散度量 $d(x,y) = 1$ 若 $x \\neq y$）。