SYSTEMATIC MATHEMATICS

拓扑学

本课程分为 9 个按内容定长的单元,共有 38 个可直接学习的知识章节。一个形状只被拉伸或弯曲、不撕裂也不粘合时,哪些性质会保持?课程先从距离与熟悉邻域开始,比较哪些等价度量会保持完备、哪些不会;随后拿走尺子,按开信息多少比较拓扑。连续性从原像与粘贴引理建立;空间通过子空间、积、商、保留标签的不交并,以及把圆盘边界压成一点的显式球面构造来组装。课程把连通性与局部道路行为分开,并用 Tube 引理补全有限积紧致的证明;再用 Urysohn 引理把分离变成连续刻度,用网和滤子共同表达超越数列的收敛;最后先用覆盖提升计算圆的基本群,再用积定理计算环面基本群。每个符号先定义再使用,每个定理写明量词,每张图都转成证明或明确限制。

本课程之前: 已完成证明、逻辑与集合论。课程假设掌握集合、函数、原像、等价关系、量词、直接证明与反证、归纳及反例。建议学过实分析以熟悉度量极限与紧区间,但本课程会局部重建所需的每个拓扑定义。不假设测度论、微分几何、代数拓扑、范畴论、流形或计算拓扑。

COURSE FACTSLevel, chapters, units, prerequisite, and outcome
第 1 章

度量把距离变成邻域

目标: 为什么“度量把距离变成邻域”中的定理不能直接套到这个边界情形:缺少三角不等式的非负对称函数不一定支持开球交的证明。?指出最先失效的假设或蕴含。

X 上度量 d 非负、对称、分离点并满足 d(x,z)≤d(x,y)+d(y,z);B_r(x)={y:d(x,y)<r}。 这说明本章研究哪些对象,以及哪些开集选择。

本节要建立的结论是:开球的并定义一个拓扑,因为球开集的任意并与有限交仍开。 证明从“空集与 X 直接满足球开条件。”开始,以“对有限交,取有限多个可用半径中的最小值。”闭合。全过程都要写明底集、拓扑、任意点或覆盖以及蕴含方向。

例题是:在三点集合上比较 Euclidean、taxicab 与离散度量并列出全部开集。 从“在任意有限度量空间中,每点到其他点的距离有正的最小值。”开始,以“每个子集都是单点集的并;因此 Euclidean、taxicab 与离散度量在这里都给离散拓扑。”收束。再把结果与这个边界比较:缺少三角不等式的非负对称函数不一定支持开球交的证明。

开球的并定义一个拓扑,因为球开集的任意并与有限交仍开。

空集与 X 直接满足球开条件。

并集中的点从包含它的某个成员继承一个开球。

对有限交,取有限多个可用半径中的最小值。

在三点集合上比较 Euclidean、taxicab 与离散度量并列出全部开集。

  1. 在任意有限度量空间中,每点到其他点的距离有正的最小值。
  2. 取小于该最小值一半的球,球内只有所选点,所以每个单点集都开。
  3. 每个子集都是单点集的并;因此 Euclidean、taxicab 与离散度量在这里都给离散拓扑。

结果: {a,b,c} 的八个子集全都开:∅、三个单点集、三个两点集及 {a,b,c}。