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谈无穷维空间内的紧致性问题

(2023-06-06 13:06:29)
标签:

数学笔记

点集拓扑学

泛函分析

积拓扑

strongart

分类: Strongart的数学笔记
    在平面内,单位方球[-1,1]×[-1,1]是紧致集,它所包含的单位闭球x^2+y^2≤1也是紧致集,类似结论对于有限维欧氏空间都成立,但若是把空间推广到无穷维,就会出现一些看似奇怪的情况。
   在泛函分析中,我们知道可数Hilbert空间l^2的单位闭球B(或球面S)不是紧致集。取其标准正交集的集合E={e_k:k=1,2,…},若B(或S)是紧致集,则E作为其闭子集也应该是紧致集,但E内任意两点的距离都是√2,只要考虑半径小于√2/2的球来覆盖,它就没有有限子覆盖,这是E是紧致集的结论矛盾!事实上,E是有界闭集,但不是紧致集。
   再考虑可数积X=×[-1,1],由Tychonoff定理,X是紧空间。既然紧空间的闭子集一定是紧集,为什么它的单位闭球B不是紧致的呢?事实上,有无限个±1坐标的“顶点”不满足平方收敛条件,这里的可数积不能被赋予l^2的度量。
   一般来说,对一簇任意拓扑空间X_i的乘积,我们可以赋予不同拓扑。最常见的有:
    1)积拓扑(product topology):其开集形如有限个U_k与其余X_i的积,其中U_k的X_k内的开集。
    2)箱拓扑(box topology):其开集形如U_k的积,其中U_k的X_k内的开集。
    Tychonoff定理告诉我们,任意一族紧空间的积是紧空间,但这是对积拓扑而言的。积拓扑形式上有无限个指标,但起实际作用的只有有限个,在无限之中选出有限,这就使得Tychonoff定理等价于选择公理(证明参见【2】)!
   如果我们考虑箱拓扑,上面的空间X=×[-1,1]就不是紧致的。可以取U+ = (-1,1],U- = [-1,1)覆盖 [-1,1],对X的每个分量取正号或负号,就得到了X的一个不可数覆盖,它显然没有有限子覆盖!
   在箱拓扑下,E不是X的紧致集。可以考虑(-1/2, 1/2)×…× (-1/2, 1/2)×(1/2, 1] ×(-1/2, 1/2)×(-1/2, 1/2)×…覆盖e_i,其中(1/2, 1]位于第i个坐标分量,当i取遍自然数时,这样的覆盖彼此不相交,因此不能有有限子覆盖。
   在积拓扑下,E也不是X的紧致集。可以考虑用(-1/2, 1/2)×…× (-1/2, 1/2)×(1/2, 1] × [-1,1] × [-1,1] ×…覆盖e_i,其中(1/2, 1]位于第i个坐标分量,当i取遍自然数时,这样的覆盖依然彼此不相交,因此不能有有限子覆盖。
   既然在积拓扑下E不是紧致集,那么它应该也不是X的闭子集。事实上,考虑包含原点0的任意开集U,在积拓扑下除有限个指标为其坐标分量都是上面的空间[-1,1],这些分量所对应的e_i自然都在U内,因此0无疑就是E的聚点。
   一般而言,无穷维空间的几何体都是非紧致的,像Tychonoff定理那样出现紧致是因为有特别设计的积拓扑,它本质上只处理了有限个空间分量,能够保持拓扑空间的很多良好性质,反而是变成了无穷积空间中的默认拓扑。

    扩展阅读:
    【1】JamesR.Munkres, 芒克里斯, 熊金城,等. 拓扑学:(原书第2版)[M]. 机械工业出版社, 2006. (点集拓扑学的经典教材,专门有一章讨论Tychonoff定理)
    【2】儿玉之宏, 永见启应, 方嘉琳. 拓扑空间论[M]. 科学出版社, 2001. (拓扑空间理论的专著,内容相当的深远)
    【3】汪林, 杨富春. 拓扑空间中的反例[M]. 科学出版社, 2000. (汇集了拓扑空间包括拓扑线性空间内的常见反例,对积拓扑与箱拓扑有简单比较)
    【4】WALTERRUDIN著, 刘培德. 泛函分析 (原书第2版)[M]. 机械工业出版社, 2004. (高观点的泛函分析教材,对拓扑线性空间有特别处理)

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