初等定義
鄰域是一個特殊的區間,以點a為中心點任何開區間稱為點a的鄰域,記作U(a)。
點a的δ鄰域:設δ是一個正數,則開區間(a-δ,a+δ)稱為點a的δ鄰域,記作 ,點a稱為這個鄰域的中心,δ稱為這個鄰域的半徑。
由於 相當於 ,因此, 表示與點a的距離小於δ的一切點x的全體。
點a的去心 δ鄰域:有時用到的鄰域需要把鄰域中心去掉,點 a的 δ鄰域去掉中心 a後,稱為點 a的 去心δ鄰域,記作 (表達方法是在U上標一個小的0),即 ,這裡 表示 。有時把開區間( a - δ, a)稱為a的 左δ鄰域,把開區間( a, a + δ)稱為a的 右δ鄰域。
鄰域公理
內容
給定集合X,映射U:X→P(P(X))(其中P(P(X))是X的冪集的冪集),U將X中的點x映射到X的子集族U(x)),稱U(x)是X的 鄰域系以及U(x)中的元素(即X的子集)為點x的 鄰域,若且唯若U滿足以下的 鄰域公理:
•U1:若集合A∈U(x),則x∈A。
•U2:若集合A,B∈U(x),則A∩B∈U(x)。
•U3:若集合A∈U(x),且A ⊆ B ⊆ X,則B∈U(x)。
•U4:若集合A∈U(x),則存在集合B∈U(x),使B ⊆ A,且∀y∈B,B∈U(y)。
含義
鄰域公理是現代數學拓撲結構的基礎概念,是定義拓撲的五套等價公理之一。這套公理直接定義了空間上的整套領域系,而非簡單定義某個點的鄰域。映射U即是將x映射至x鄰域組成的集合。
•U1:若A是x的鄰域,則x屬於A。這是顯然的。
•U2:若A和B都是x的鄰域,則A和B的交集也是x的鄰域。即鄰域對於有限交運算封閉。
•U3:若A是x的鄰域,則所有包含A的集合都是x的鄰域。
•U4:若A是x的鄰域,則存在一個被A包含的集合B(可以相等),使得B是其中所有點的鄰域。換言之,若x有一個鄰域,那么一定可以將其縮小,縮小到它是其中所有點的鄰域。更關鍵的,這樣的鄰域若且唯若它是X中的開集,這也是鄰域公理為何等價於開集公理,從而可以通過它定義X上拓撲的原因。
開鄰域和閉鄰域
若x的鄰域同時是X中的開集,稱其為x的 開鄰域;若它同時是X中的閉集則稱其為x的 閉鄰域。
結論
拓撲空間X,X的子集A是開集,若且唯若A是其中所有點的鄰域。(顯然由此可知,從鄰域公理出發可以等價地定義拓撲空間)。
拓撲空間X,X的子集A和A°,A°是A的開核,若且唯若A° = {x | ∃U∈U(x),U⊆A}。
拓撲空間X,X的子集A和A’,A’是A的閉包,若且唯若A’ = {x | ∀U∈U(x),U∩A ≠ ∅}
1.拓撲空間X,X的子集A是開集,若且唯若A是其中所有點的鄰域。(顯然由此可知,從鄰域公理出發可以等價地定義拓撲空間)。
2.拓撲空間X,X的子集A和A°,A°是A的開核,若且唯若A° = {x | ∃U∈U(x),U⊆A}。
3.拓撲空間X,X的子集A和A’,A’是A的閉包,若且唯若A’ = {x | ∀U∈U(x),U∩A ≠ ∅}