拓扑空间上的连续
一般来说,连续性的定义并不依赖于距离,而只需要拓扑。
连续性定义
设 f: X \to Y,其中 X 和 Y 都是拓扑空间,若对任意 Y 中的开集 A \in \mathcal{O}_Y,其对应的原像 f^{-1}(A) = \{ x \in X: f(x) \in A \} 仍是开集,则称 f 是连续函数。
可以认为,拓扑的开集已经描述了什么是“足够小的距离”,因此足够定义连续性了。
等价性
可以证明,在装配了距离的空间中,上述连续性的定义和一般的数学分析中的定义等价。
一般证明
设 N(x_0, \varepsilon) = \{x: d(x_0, x) < \varepsilon \} 表示以 x_0 为中心、半径为 \varepsilon 的开球(邻域)。
距离连续推拓扑连续:设 f: X \to Y 是距离空间定义下的连续函数,B \subset Y 是开集,我们要证 A = f^{-1}(B) 也是开集。任取 x_0 \in A,则由 A = f^{-1}(B) 知道存在 y_0 \in B 使得 y_0 = f(x_0)。由于 B 是开集,所以存在 \varepsilon_0 > 0 使得 N(y_0, \varepsilon_0) \subset B。由连续性的定义,存在 \delta_0 > 0,使得对任意的 x \in N(x_0, \delta_0) 都有 f(x) \in N(y_0, \varepsilon_0),注意 N(y_0, \varepsilon_0) \subset B 和 A = f^{-1}(B),因此 N(x_0, \delta_0) \subset A。注意到 x_0 是任意取的,所以 A 中任意点都可以找到一个 A 中的包裹该点的开邻域,所以 A 是开集。
拓扑连续证距离连续:设 f: X \to Y,任取 x_0 \in X,则存在 y_0 = f(x_0) \in Y。对任意充分小的正数 \varepsilon,取开球 B_{\varepsilon} = N(y_0, \varepsilon) \subset Y,则其原像 A_{\varepsilon} = f^{-1}(B_{\varepsilon}) 也是开集,且 x_0 \in A_{\varepsilon},因此存在正数 \delta 使得 N(x_0, \delta) \subset A_{\varepsilon},注意到 N(x_0, \delta) \subset A_{\varepsilon} = f^{-1}(B_{\varepsilon}),因此对任意 x \in N(x_0, \delta) 都有 f(x) \in B_{\varepsilon} = N(y_0, \varepsilon),这就证明了 f(x) 的距离连续性。
第一可数空间
如果对于拓扑空间 X 上的任意一点 x,都能找到一个开集序列 B_1 \supset B_2 \supset \cdots,每个开集 B_i 都包含 x,且对于任意包含 x 的开集 U,都能找到一个序列中的开集 B_k 使得 B_k \subset U,则称 X 是第一可数空间。
所有的度量空间(距离空间)都是第一可数空间。
在第一可数空间上,拓扑连续性可以化成我们熟悉的、非常类似于 \varepsilon-\delta 定义的表述:
设 f: X \to Y,其中 X 是第一可数空间。若对任意 x \in X,设 x 的一个收敛开集序列 B_1 \supset B_2 \supset \cdots,对任意包含像点 y = f(x) 的开集 U,都可以找到 B_k,使得 f(B_k) \subset U,则称 f 是一个连续函数。
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