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4. 关系介于均匀空间和紧凑空间之间
1. 紧凑均匀度空间
如果空间上存在与其拓扑兼容的均匀性,则称拓扑空间是可一致的,并且其拓扑也称为可一致的。
存在不可统一的拓扑空间,对于例任何不满足公理的空间(,no. 2,命题2的推论3);因而,问题是确定在什么条件下拓扑空间是可统一的。
这个问题要等到章IX、才能给出完整的答案。在这个截面中,我们将只检查一个重要的特殊情况,其中是紧的。然后我们有以下定理:
定理 1 0BFY
在紧凑的空间 上,恰好有一个与 的拓扑兼容的一致性;这种均匀性的周边都是对角的的邻域。而且,赋予这种均匀性的就是完整的制服空间。
引用了 5 · 被以下引用 8
引用了 命题 5, 命题 2, 命题 3, 推论 2, 定理 2
被以下引用 推论, 定理 2, 定义 1, III § 3, 推论 1, III § 3, 命题 3, IV § 4, 注, IX § 1, 命题 16, IX § 2, 注, X § 2
定理的最后一个部分很简单;对于 上的每个柯西滤波器都有一个簇点 [公理 (C)],因此是收敛的(、no. 2、命题 5,推论 2)。
接下来让我们证明,如果上存在与的拓扑兼容的均匀性,则该均匀性的随从的集合是的所有邻域中的集合。我们已经知道每个随行人员都是的邻域(,no. 2,命题2),因此我们必须反过来证明属于到的每个邻域。假设中有邻域不在中;然后集合,因为穿过紧凑型空间上的过滤器的、形式基;因而有一个集群点而不是属于到。由于是比更粗糙的过滤器,因而也是的集群点。但定义的均匀性是假设的Hausdorff;因而的集合关闭的交是(,no. 2,推论2至命题2和命题3);这样我们就产生了矛盾。
因而,还需要证明中的邻域集合是与的拓扑兼容的一致性的集合。为此,足以证明 是 上 Hausdorff 均匀性的集合;因为由这种均匀性引起的拓扑将比的拓扑*粗糙*(章I,,no. 2,命题3),因此必须重合与后者(章I、、no. 4、定理2、推论 3)。
显然满足公理和。让我们证明公理和也满足,并且是的集合的交。首先取最后一个点:单个点的每个集合由……组成都是闭的,因为是Hausdorff;因此,如果,中的补集是的邻域。由于对称性是自身的同胚,因此蕴涵、从而。最后,假设不满足;那么有集合 使得对于所有 集合 不为空; 集合,因为贯穿,因此形式在上有一个过滤器基,并且这个过滤器基有一个集群点不在。现在,由于是*常规*(章I、no. 2,命题1的推论),有不相交的开放邻域和 ,还有和的*关闭*邻域、、。令,并考虑邻域
从这些定义可以立即得出,如果和(或),那么我们必须有(或);因此中的邻域不满足,我们就有了矛盾。这样就完成了证明。
注 1 0BFZ
对于每个*有限的开放覆盖* of , 集合
is a neighbourhood of in , and these sets form a fundamental system of neighbourhoods of (and therefore a fundamental system of entourages of the unique uniformity on ). 令为中的任意邻域;那么对于每个,中有一个的开邻域,使得。 由于 () 形式是 的开覆盖,因此存在点 () 的有限数,使得 () 形式是一个覆盖 共 。 然后我们有,它证明了断言。
因此, 上的唯一均匀性通常称为“有限开覆盖的均匀性”(cf. 章 IX, § 4、习题 17)。
引用了 1
引用了 习题 17, § 4
推论 1 0BG0
紧致空间的每个子空间都是可均匀化的。
对于 Alexandroff 的定理 (章 I, § 9, no. 8, 定理 4),局部紧致空间同胚于紧致空间的子空间。
注 2 0BG2
可能存在与局部紧凑空间的拓扑兼容的几种不同的一致性。
对于例,我们已经看到,在无限离散的空间上,存在多个与离散的拓扑(§ 2, no. 2,注)兼容的明显均匀性。
然而,与可均匀化空间的拓扑兼容的均匀性的唯一性不是表征紧凑空间的性质;存在局部紧致空间,它们不是紧致的,但其均匀性是唯一的(习题4)。
引用了 2
引用了 II § 2. 均匀连续函数, 习题 4, § 4
定理 2 0BG3
将紧致空间 变为均匀空间 的每个连续映射 都是均匀连续的。
引用了 6 · 被以下引用 5
引用了 命题 1, I § 4, 推论 1, I § 4, 命题 2, II § 1, 推论 2, II § 1, 定理 1, 定理 2, II § 3
被以下引用 命题 1, II § 2, 定理 1, 推论 1, X § 2, 定理 1, X § 3, 定理 2, X § 3
设,则在上连续(章I, § 4, no. 1,命题1,推论1);因此,对于的每个开环,是的开子集,显然是包含对角线。因此,定理源自定理1,因为形式的开放随从是随从的基本系统(§ 1, no. 2,命题2,推论2)。
在定理2假设下,的限制到的任意子空间一致连续;因此(§ 3, no. 6,定理2):
推论 0BG4
令为紧凑空间的稠密子空间,并令为的映射,形成完整的豪斯多夫均匀空间。那么可以通过连续性扩展到整个当且仅当一致连续。
2. 均匀的紧凑性空间
因此,均匀空间 的子集 是预紧的,当且仅当 中的 的闭包是紧的( 是规范的映射)(§ 3, no. 9,命题 18,推论 1)。
例 0BG6
在任何制服空间中,柯西序列的点的集合是预紧的。由于中的像再次形式是柯西序列,我们可以假设是Hausdorff; 点 集合的 中的闭包则由点 和 组成,因此是紧凑的 (章 I, § 9, no. 3, 例 2)。
引用了 1
引用了 例 2, I § 9
定理 3 0BG7
统一的空间是预紧的当且仅当对于的每个随行人员,被小集合有限覆盖。
引用了 4 · 被以下引用 3
引用了 命题 2, II § 1, 推论 2, II § 1, 命题 12, II § 3, 推论, I § 6
被以下引用 推论, 命题 1, IX § 2. 公制空间和可计量空间
我们可以用说更直观地表达条件,可以被集合的有限数覆盖,它尽可能小。
令为典范映射,则的随从是随从的下的逆像(§ 3, no. 7,命题12)。 假设是预紧的,并令是的任意随行;那么存在 的对称周边,使得 。 由于是紧致的,因此存在点的有限数,使得(小)覆盖。 如果是的逆像乘以,则集合是小并覆盖。 相反,假设对于的每个随行人员,-小集合有限地覆盖。 我们必须证明上的每个超滤器都是收敛的;由于是完整的,因此足以证明是一个*柯西滤波器*,即对于的每个*封闭*随行,中有一个-小集合(§ 1, no. 2,命题2,推论2)。 令为下的逆像,令为-小集合对的有限覆盖;那么集合是小并覆盖,这样
Q.E.D.
推论 0BG8
一致的空间是紧的当且仅当它是豪斯多夫且完整的并且可以被-小集合的有限数覆盖,其中是的任何随行。
这是从 no. 1 的定理 3 和定理 1 得出的。
注 1 0BG9
非豪斯多夫 拟紧 空间不一定是可一致的,因为它不需要满足公理 (cf. 章 I, § 9, no. 2);对于例,代数几何中出现的大多数非豪斯多夫拟紧空间不存在满足公理(cf.习题2)。
引用了 2
前两个断言是定理3的直接的推论。令为均匀空间,为的预紧子集,令为典范映射。 包含在中的闭包中(章I, § 2, no. 1,定理1),因此中的闭包包含在紧集中,因此是紧凑的。
注 2 0BGB
在统一的空间中,*相对紧凑*集合是*预紧凑*,因为包含在紧集中。另一方面,即使是Hausdorff,中的预紧集*不需要相对紧*,如本身是预紧但不紧的情况所示。
命题 2 0BGC
令为均匀连续的映射。如果 是 的任何预紧式子集,则 是 的预紧式子集。
因为如果和是典范映射,我们有(§ 3, no. 7,命题15),因此在中相对紧凑(章I, § 9, no. 4, 定理 2,推论 1)。
命题 3 0BGD
令为集合,令为制服空间的族,对于每个,让为到的映射。令 具有最粗糙的均匀性,使得 均匀连续。那么 的子集 是预紧的,当且仅当对于每个 , 是 的预紧子集。
引用了 3 · 被以下引用 5
引用了 定理 3(吉洪诺夫), I § 9, 命题 18, II § 3, 命题 2
被以下引用 定理 1, 命题 3, IX § 1, 定义 2, X § 1, 注, X § 2, 定理 2(阿斯科利), X § 2
由于命题 2,条件是必要的。充分性源自 § 3, no. 9、命题 18 中给出的 的 Hausdorff 完成的刻画,以及吉洪诺夫的定理 (章) I, § 9,定理 3,推论)。
3. 紧集制服空间
对于任意均匀的空间,以下命题是紧凑空间的章I, § 9, no. 2的命题2的更锐利的形式。
命题 4 0BGE
在统一的空间中,令为紧集,并且是一个封闭的集合,使得。然后存在 的随行人员 ,使得 和 不相交。
被以下引用 5
被以下引用 习题 14, § 4, 推论, 习题 13, § 2, 命题 12, X § 3, 定理 2, X § 3
如果命题为假,则集合(其中贯穿的对称周边的集合)都不会是空的;因此,这些集合将形式过滤器基在上,其中将有一个集群点。因此,对于的每个对称周边,将满足,因此,当闭合时,我们应该有,与假设相反。
推论 0BGF
令为紧集,穿着制服空间;那么当穿过随行人员的集合时,集合形式的邻域的基本系统。
设为的任意开邻域,则闭且不满足;因此,到命题 4 时,有一个随从 使得 ,因此有 。
4. 连接集合,紧凑空间
定义 3 0BGG
令为制服空间的对称随行人员。如果和对于来说是闭,则的点有限序列被称为链。 点 和 被称为 链的末端,据说它们由 链连接。
给定一个对称的周边,关系“有一个链连接和”是中和之间的等价关系。对于这个关系,令为的等价类,即所有的集合,可以通过链连接到。显然,如果则;因此在开放;并且的补集,即等价类的并,也是开的。因此:
For each , let denote the intersection of the sets as runs through the set of symmetric entourages of ; is the equivalence class of for the equivalence relation "for all symmetric entourages , there is a -chain joining and ".
命题 6 0BGI
在紧凑的空间中,、集合和的邻域的交都是开闭的,这三个部分都是相同的。
引用了 2 · 被以下引用 8
引用了 命题 5, 命题 4, II § 3
被以下引用 定义 3, I § 11, 习题 13, § 4, 习题 15, § 4, 推论, 命题 7, 定理 4, IV § 2, 定义 5, IX § 6, 习题 5, § 1
足以证明是*连通的*:因为在任何制服空间中,的分量包含在的邻域的交中,它们都是开闭的,并且这个交包含在中命题5。
假设 未连接。由于是*闭*的,因此有两个非空不相交的闭集合和,使得。到§ 3的命题 4时,有的随行人员,因此为空。
令是一个*开放*随行人员,使得,并让是*封闭*集合,它是中的补集。假设例为,并令为点除以。然后,对于每个对称的随从,我们可以立即看到,通过上的归纳,每个连接中的和的链必须有点 ,由 的选择。由于假设和可以通过每个对称周边的链连接,我们看到如果则不为空。另一方面,如果 则显然 ;因此,当穿过对称周边的集合时,集合形式在紧凑空间中*封闭*集合的过滤器基 。因此,所有这些集合都有公共的点,因此满足;但这的与……矛盾定义。
推论 0BGJ
设 X 为局部紧致空间,令 K 为 X 的紧致分量。那么 K 的邻域既开又闭形式 K 的邻域的基本系统。
令V为K在X(章I, § 9, no. 7,命题10)中的相对紧开邻域,并令F为其边界。令 U ⊂ \overline{V} 为集合,*相对于* \overline{V} 既开又闭。那么 U 在 X 中闭,如果在加法中 U 不满足 F,则 U 在 X 中开(因为此时 U ⊂ V 并且 U 在 V 中开)。因此,只要证明\overline{V}存在子集,其中包含K不满足F,并且相对于\overline{V}既开又闭。
假设情况并非如此:那么 F 的交和 \overline{V} 的子集其中包含 K 和 在 \overline{V} 中开闭形式 F 中闭集合的过滤器基; F 是紧的,所以这些集合有公共的点 y ∈ F。 但这是荒谬的;由于\overline{V}是紧的,K是\overline{V}的一个分量,并且凭借命题6,集合的交,其中包含K和在\overline{V}中都是开闭的。推论是证明了。
由章I、§II、no. 5、命题9可知X/R完全断开;因此我们必须证明 X/R 是 Hausdorff (章 I, § 10, no. 4, 命题 8.) 令 A 和 B 是 X 的两个不同分量。到命题 6 时,存在X 的对称周边 U,使得 A 的点不能通过 U 链连接到 B 的任何点。 X 的点的集合 V(分别为 W),可以通过 U 链连接到点 x ∈ A(分别为 y ∈ B),在 X (命题 5) 中既开又闭包含 A(分别为 B);因此,这些集合分别是 A 和 B 的开邻域,相对于 R 饱和并且不相交。这样就完成了证明。
习题
参见习题为 § 4。