Bourbaki

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。

4. 关系介于均匀空间和紧凑空间之间

1. 紧凑均匀度空间

定义 1 0BFX

拓扑上的均匀性空间XX据说与XX的拓扑兼容,如果后者由均匀性引起重合与拓扑。

引用了 1

引用了 命题 2

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(OIII)(O_{III})的空间(§1§ 1,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、§1§ 1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XX是紧的。然后我们有以下定理:

定理 1 0BFY

在紧凑的空间 XX 上,恰好有一个与 XX 的拓扑兼容的一致性;这种均匀性的周边都是X×XX \times X对角的Δ\Delta的邻域。而且,赋予这种均匀性的XX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 XX 上的每个柯西滤波器都有一个簇点 [公理 (C)],因此是收敛的(§3§ 3、no. 2、命题 5,推论 2)。

接下来让我们证明,如果XX上存在与XX的拓扑兼容的均匀性,则该均匀性的随从的集合UU是Δ\Delta的所有邻域中的集合。我们已经知道每个随行人员都是Δ\Delta的邻域(§1§ 1,no. 2,命题2),因此我们必须反过来证明Δ\Delta属于到UU的每个邻域。假设Δ\Delta中有邻域UU不在UU中;然后集合V∩CUV \cap C_U,因为VV穿过紧凑型空间X×XX \times X上的过滤器GG的UU、形式基;因而GG有一个集群点(a,b)(a, b)而不是属于到Δ\Delta。由于UU是比GG更粗糙的过滤器,因而(a,b)(a, b)也是UU的集群点。但UU定义的均匀性是假设的Hausdorff;因而UU的集合关闭的交是Δ\Delta(§1§ 1,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X×XX \times X中的Δ\Delta邻域集合BB是与XX的拓扑兼容的一致性的集合。为此,足以证明 BB 是 XX 上 Hausdorff 均匀性的集合;因为由这种均匀性引起的拓扑将比XX的拓扑*粗糙*(章I,§2§ 2,no. 2,命题3),因此必须重合与后者(章I、§9§ 9、no. 4、定理2、推论 3)。

BB显然满足公理(FI)(F_I)和(FII)(F_{II})。让我们证明公理(UII)(U_{II})和(UIII)(U_{III})也满足,并且Δ\Delta是BB的集合的交。首先取最后一个点:单个点(x,y)∈X×X(x, y) \in X \times X的每个集合由……组成都是闭的,因为XX是Hausdorff;因此,如果x≠yx \neq y,X×XX \times X中(x,y)(x, y)的补集是Δ\Delta的邻域。由于对称性(x,y)→(y,x)(x, y) \to (y, x)是X×XX \times X自身的同胚,因此V∈BV \in \mathfrak{B}蕴涵V‾1∈B\overline{V}^1 \in \mathfrak{B}、从而(UII)(\mathbf{U}_{\mathrm{II}})。最后,假设(UIII)(\mathbf{U}_{\mathrm{III}})不满足;那么有集合 V∈BV \in \mathfrak{B} 使得对于所有 W∈BW \in \mathfrak{B} 集合 W^∩CV\hat{W} \cap \mathscr{C}V 不为空; 集合W^∩CV\hat{W} \cap \mathscr{C}V,因为WW贯穿B\mathfrak{B},因此形式在X×XX \times X上有一个过滤器基,并且这个过滤器基有一个集群点(x,y)(x, y)不在Δ\Delta。现在,由于XX是*常规*(章I、no. 2,命题1的推论),xx有不相交的开放邻域U1U_1和U2U_2 yy,还有xx和yy的*关闭*邻域、V1⊂U1V_1 \subset U_1、V2⊂U2V_2 \subset U_2。令U3=C(V1∪V2)U_3 = \mathscr{C}(V_1 \cup V_2),并考虑邻域

W=⋃i=1,2,3(Ui×Ui) of Δ in X×X. W = \bigcup_{i=1,2,3} (U_i \times U_i) \text{ of } \Delta \text{ in } X \times X.

从这些定义可以立即得出,如果(u,v)∈W(u, v) \in W和u∈V1u \in V_1(或u∈U1u \in U_1),那么我们必须有v∈U1v \in U_1(或v∈U1∪U3=CV2v \in U_1 \cup U_3 = \mathscr{C}V_2);因此X×XX \times X中(x,y)(x, y)的邻域V1×V2V_1 \times V_2不满足W^\hat{W},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* R=(Ui)1≤i≤n\mathscr{R} = (U_i)_{1 \leq i \leq n} of XX, 集合

VR=⋃i=1n(Ui×Ui) V_{\mathscr{R}} = \bigcup_{i=1}^n (U_i \times U_i)

is a neighbourhood of Δ\Delta in X×XX \times X, and these sets VRV_{\mathscr{R}} form a fundamental system of neighbourhoods of Δ\Delta (and therefore a fundamental system of entourages of the unique uniformity on XX). 令WW为X×XX \times X中Δ\Delta的任意邻域;那么对于每个x∈Xx \in X,XX中有一个xx的开邻域UxU_x,使得Ux×Ux⊂WU_x \times U_x \subset W。 由于 UxU_x (x∈Xx \in X) 形式是 XX 的开覆盖,因此存在点 xix_i (1≤i≤n1 \leq i \leq n) 的有限数,使得UxiU_{x_i} (1≤i≤n1 \leq i \leq n) 形式是一个覆盖R\mathscr{R} 共 XX。 然后我们有VR⊂WV_{\mathscr{R}} \subset W,它证明了断言。

因此,XX 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。

推论 2 0BG1

每个局部紧凑空间都是可统一的。

引用了 1 · 被以下引用 1

引用了 定理 4(亚历山德罗夫), I § 9

被以下引用 定理 1

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 XX 变为均匀空间 X′X' 的每个连续映射 ff 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g=f×fg = f \times f,则gg在X×XX \times X上连续(章I, § 4, no. 1,命题1,推论1);因此,对于X′X'的每个开环V′V',g−1‾(V′)\overline{g^{-1}}(V')是X×XX \times X的开子集,显然是包含对角线。因此,定理源自定理1,因为X′X'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,ff的限制到XX的任意子空间AA一致连续;因此(§ 3, no. 6,定理2):

推论 0BG4

令AA为紧凑空间XX的稠密子空间,并令ff为AA的映射,形成完整的豪斯多夫均匀空间X′X'。那么ff可以通过连续性扩展到整个XX当且仅当ff一致连续。

2. 均匀的紧凑性空间

定义 2 0BG5

如果一致的空间 XX 是预紧的,如果它的 Hausdorff 完备的X^\hat{X} 是紧的。如果 XX 的制服子空间 AA 是预紧的,则制服空间 XX 的子集 AA 被称为预紧子集。

引用了 2

引用了 命题 18, II § 3, 推论 1, II § 3

因此,均匀空间 XX 的子集 AA 是预紧的,当且仅当 X^\hat{X} 中的 i(A)i(A) 的闭包是紧的(i:X→X^i : X \to \hat{X} 是规范的映射)(§ 3, no. 9,命题 18,推论 1)。

例 0BG6

在任何制服空间XX中,柯西序列(xn)(x_n)的点的集合是预紧的。由于X^\hat{X}中xnx_n的像再次形式是柯西序列,我们可以假设XX是Hausdorff; 点 xnx_n 集合的X^\hat{X} 中的闭包则由点 xnx_n 和 lim⁡n→∞xn\lim_{n \to \infty} x_n 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XX是预紧的当且仅当对于XX的每个随行人员VV,XX被VV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,XX可以被集合的有限数覆盖,它尽可能小。

令i:X→X^i : X \to \hat{X}为典范映射,则XX的随从是X^\hat{X}随从的i×ii \times i下的逆像(§ 3, no. 7,命题12)。 假设XX是预紧的,并令UU是X^\hat{X}的任意随行;那么存在 X^\hat{X} 的对称周边U′U',使得 U^′⊂U\hat{U}' \subset U。 由于X^\hat{X}是紧致的,因此存在点xj∈X^x_j \in \hat{X}的有限数,使得U′(xj)U'(x_j)(UU小)覆盖X^\hat{X}。 如果VV是UU的逆像乘以i×ii \times i,则集合i−1(U′(xj))i^{-1}(U'(x_j))是VV小并覆盖XX。 相反,假设对于XX的每个随行人员VV,VV-小集合有限地覆盖XX。 我们必须证明X^\hat{X}上的每个超滤器F\mathfrak{F}都是收敛的;由于X^\hat{X}是完整的,因此足以证明F\mathfrak{F}是一个*柯西滤波器*,即对于X^\hat{X}的每个*封闭*随行UU,F\mathfrak{F}中有一个UU-小集合(§ 1, no. 2,命题2,推论2)。 令VV为i×ii \times i下UU的逆像,令(Bj)(B_j)为VV-小集合对XX的有限覆盖;那么集合Cj=i(Bj)C_j = i(B_j)是UU小并覆盖i(X)i(X),这样

X^=⋃jC‾j. \hat{X} = \bigcup_j \overline{C}_j.
另一方面,由于Cj×Cj⊂UC_j \times C_j \subset U和UU在X^×X^\hat{X} \times \hat{X}中闭合,我们有C‾j×C‾j⊂U\overline{C}_j \times \overline{C}_j \subset U,因此C‾j\overline{C}_j也是UU小。 由于F\mathfrak{F}是超滤器,C‾j\overline{C}_j属于到F\mathfrak{F}之一(章I, § 6, no. 4,命题5的推论)。

Q.E.D.

推论 0BG8

一致的空间XX是紧的当且仅当它是豪斯多夫且完整的并且可以被VV-小集合的有限数覆盖,其中VV是XX的任何随行。

引用了 2 · 被以下引用 1

引用了 定理 1, 定理 3

被以下引用 定理 2(波雷尔-勒贝格), IV § 2

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 (OIII)(O_{III}) (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(OIII)(O_{III})(cf.习题2)。

引用了 2

引用了 I § 9. 紧凑空间和局部紧凑空间, 习题 2, § 4

命题 1 0BGA

在统一空间中,预紧式集合的每个子集,预紧式集合的每个有限并以及每个预紧式集合的闭包都是预紧式。

引用了 2

引用了 定理 1, I § 2, 定理 3

前两个断言是定理3的直接的推论。令XX为均匀空间,AA为XX的预紧子集,令i:X→X^i : X \to \hat{X}为典范映射。 i(A‾)i(\overline{A})包含在X^\hat{X}中i(A)i(A)的闭包中(章I, § 2, no. 1,定理1),因此X^\hat{X}中的i(A‾)i(\overline{A})闭包包含在紧集中,因此是紧凑的。

注 2 0BGB

在统一的空间XX中,*相对紧凑*集合AA是*预紧凑*,因为AA包含在紧集中。另一方面,即使XX是Hausdorff,XX中的预紧集*不需要相对紧*,如XX本身是预紧但不紧的情况所示。

命题 2 0BGC

令f:X→Yf : X \to Y为均匀连续的映射。如果 AA 是 XX 的任何预紧式子集,则 f(A)f(A) 是 YY 的预紧式子集。

引用了 3 · 被以下引用 4

引用了 定理 2, I § 9, 推论 1, I § 9, 命题 15, II § 3

被以下引用 定义 1, 命题 3, 定理 1, 定理 2(阿斯科利), X § 2

因为如果i:X→X^i : X \to \hat{X}和j:Y→Y^j : Y \to \hat{Y}是典范映射,我们有j(f(A))=f^(i(A))j(f(A)) = \hat{f}(i(A))(§ 3, no. 7,命题15),因此j(f(A))j(f(A))在Y^\hat{Y}中相对紧凑(章I, § 9, no. 4, 定理 2,推论 1)。

命题 3 0BGD

令XX为集合,令(Yλ)λ∈L(Y_\lambda)_{\lambda \in L}为制服空间的族,对于每个λ∈L\lambda \in L,让fλf_\lambda为XX到YλY_\lambda的映射。令 XX 具有最粗糙的均匀性,使得 fλf_\lambda 均匀连续。那么 XX 的子集 AA 是预紧的,当且仅当对于每个 λ∈L\lambda \in L,fλ(A)f_\lambda(A) 是 YλY_\lambda 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 XX 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XX中,令AA为紧集,并且BB是一个封闭的集合,使得A∩B=∅A \cap B = \varnothing。然后存在 XX 的随行人员 VV,使得 V(A)V(A) 和 V(B)V(B) 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A∩V‾(B)A \cap \overline{V}(B)(其中VV贯穿XX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AA上,其中将有一个集群点x0∈Ax_0 \in A。因此,对于XX的每个对称周边VV,V‾(x0)\overline{V}(x_0)将满足BB,因此,当BB闭合时,我们应该有x0∈Bx_0 \in B,与假设相反。

推论 0BGF

令AA为紧集,穿着制服空间XX;那么当VV穿过XX随行人员的集合时,集合V(A)V(A)形式AA的邻域的基本系统。

引用了 1 · 被以下引用 2

引用了 命题 4

被以下引用 习题 2, § 1, 推论 3, III § 7

设UU为AA的任意开邻域,则B=∁UB = \complement U闭且不满足AA;因此,到命题 4 时,有一个随从 VV 使得 V(A)∩V(B)=∅V(A) \cap V(B) = \varnothing,因此有 V(A)⊂UV(A) \subset U。

4. 连接集合,紧凑空间

定义 3 0BGG

令VV为制服空间XX的对称随行人员。如果xix_i和xi+1x_{i+1}对于0≤i<n0 \leq i < n来说是VV闭,则XX的点有限序列(xi)0≤i≤n(x_i)_{0 \leq i \leq n}被称为VV链。 点 x0x_0 和 xnx_n 被称为 VV 链的末端,据说它们由 VV 链连接。

给定一个对称的周边VV,关系“有一个VV链连接xx和yy”是XX中xx和yy之间的等价关系。对于这个关系,令Ax,vA_{x, v}为xx的等价类,即所有y∈Xy \in X的集合,可以通过VV链连接到xx。显然,如果y∈Ax,vy \in A_{x, v}则V(y)⊂Ax,vV(y) \subset A_{x, v};因此Ax,vA_{x, v}在XX开放;并且Ax,vA_{x, v}的补集,即等价类的并,也是开的。因此:

命题 5 0BGH

在统一的空间XX、点的集合Ax,vA_{x, v}中,可以通过VV链连接到给定的点xx,在XX中既开又闭。

被以下引用 3

被以下引用 命题 6, 命题 7, 定理 1

For each x∈Xx \in X, let AxA_x denote the intersection of the sets Ax,vA_{x, v} as VV runs through the set of symmetric entourages of XX; AxA_x is the equivalence class of xx for the equivalence relation "for all symmetric entourages VV, there is a VV-chain joining xx and yy".

命题 6 0BGI

在紧凑的空间XX中,xx、集合AxA_x和xx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AxA_x是*连通的*:因为在任何制服空间XX中,xx的分量包含在xx的邻域的交中,它们都是开闭的,并且这个交包含在AxA_x中命题5。

假设 AxA_x 未连接。由于AxA_x是*闭*的,因此有两个非空不相交的闭集合BB和CC,使得B∪C=AxB \cup C = A_x。到§ 3的命题 4时,有XX的随行人员UU,因此U(B)∩U(C)U(B) \cap U(C)为空。

令WW是一个*开放*随行人员,使得W^⊂U\hat{W} \subset U,并让HH是*封闭*集合,它是XX中W(B)∪W(C)W(B) \cup W(C)的补集。假设例为x∈Bx \in B,并令yy为点除以CC。然后,对于每个对称的随从V⊂WV \subset W,我们可以立即看到,通过ii上的归纳,每个连接XX中的xx和yy的VV链(xi)0≤i≤n(x_i)_{0 \leq i \leq n}必须有点 HH,由 WW 的选择。由于假设xx和yy可以通过每个对称周边VV的VV链连接,我们看到如果V⊂WV \subset W则H∩Ax,vH \cap A_{x, v}不为空。另一方面,如果 V′⊂VV' \subset V 则显然 Ax,v′⊂Ax,vA_{x, v'} \subset A_{x, v};因此,当VV穿过XX对称周边的集合时,集合H∩Ax,vH \cap A_{x, v}形式在紧凑空间中*封闭*集合的过滤器基 HH。因此,所有这些集合都有公共的点,因此HH满足AxA_x;但这HH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。

引用了 2 · 被以下引用 4

引用了 命题 10, I § 9, 命题 6

被以下引用 习题 17, § 4, 习题 22, § 4, 习题 23, § 4, 习题 12, § 2

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。

命题 7 0BGK

令X为紧致空间,令R为X上的等价关系,其中类是X的分量。那么商空间 X/R 是紧致的并且完全不连通。

引用了 3

引用了 命题 8, I § 10, 命题 5, 命题 6

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。

Google 翻译生成的粗略草稿,质量较低。术语依照术语表,但句子可能有误;之后会由仔细的译文取代。