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四川大学数学学院点集拓扑学基础讲义
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2010-01-30
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此讲义是由四川大学张德学老师编写用于数学学院教学,是比较容易理解的实用性教材,对于理解点集拓扑学基础的相关内容非常有用
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点集拓扑学基础
Version 2.0
张德学
四川大学数学学院
2009.12
ii
目录
1 集与映射 1
1.1 集 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 映射与关系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.3 可数集 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4 乘积与选择公理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2 R 上的欧氏拓扑 33
3 拓扑空间的基本概念 37
3.1 拓扑空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 基与子基 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.3 邻域系 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.4 闭包与内部 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.5 序列的极限 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
3.6 连续映射 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.7 子空间与乘积空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.8 商空间与和空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.9 拓扑性质 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 基本拓扑性质 71
4.1 分离性 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
4.2 紧空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
4.3 局部紧空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.4 连通与道路连通空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
5 度量空间 103
5.1 度量空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5.2 完备度量空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
iii
iv 目录
5.3 紧度量空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
6 度量化定理 125
6.1 Urysohn 引理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2 完全正则空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6.3 Urysohn 度量化定理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.4 Nagata-Smirnov 度量化定理 * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
6.5 仿紧空间 * . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
7 收敛理论 143
7.1 网的收敛 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
7.2 滤子的收敛 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8 Tychonoff 乘积定理 153
8.1 Tychonoff 乘积定理 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
8.2 Stone-
ˇ
Cech 紧化 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9 基本群 159
9.1 同伦与同伦等价 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
9.2 基本群 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
9.3 覆盖空间 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
9.4 单位圆周的基本群及应用 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
1
集与映射
集与映射是最基本的数学概念; 是表述, 交流数学想法, 概念, 和结果的基本术语. 这一章
介绍本课程需要的有关集与映射的基本概念.
1.1 集
我们把集 (或, 集合) 作为最初始的数学概念, 不加定义. 直观地说, 一个集表示满足某种
性质的对象的全体. 本课程中将用到以下一些集合:
• 自然数集 N = {0, 1, 2, ···}
• 整数集 Z = {··· , −2, −1, 0, 1, 2, ···}
• 有理数集 Q
• 无理数集 P
• 实数集 R
• 复数集 C
如果一个对象 x 在集合 X 中, 我们说 x 是 X 的一个元素 (或者一个点), 记为
x ∈ X,
读作 x 属于 X; 若 x 不在集合 X 中, 我们则说 x 不是 X 的元素, 记为
x 6∈ X,
读作 x 不属于 X. 例如, 0 ∈ N, 1/2 6∈ N,
√
2 ∈ P,
√
2 6∈ Q. 一个集合可以是另一个集合的元素,
例如集 X = {0, 1} 是集 Y = {0, {0, 1}} 的元素 (Y 有两个元素, 0 与 X). 由于实数集的一个
元素对应到直线上的一个点, 因此我们也把集合 X 的元素称为 X 的点.
1
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