基 (拓撲學)
在拓扑学 的相关领域中,拓撲基 (英語:base 或 basis ) 是某種特殊集合族 ,它們的任意并集 構成了一個拓扑空間 的開集。基在拓扑学的作用是簡化證明,許多拓撲的性質可轉換成基的性質,像是拓撲意義下的连续 就可以直接對基來做定義。
動機
拓撲基的動機是想定義一群特殊的子集,它們的任意并集 都是「开 」的;嚴謹來說,令
F
⊆ ⊆ -->
P
(
X
)
{\displaystyle {\mathcal {F}}\subseteq {\mathcal {P}}(X)}
為集合
X
{\displaystyle X}
的一個子集族 ,希望
F
{\displaystyle {\mathcal {F}}}
內任意一群子集之并集 所組成的
U
{\displaystyle {\mathcal {U}}}
:
U
:=
{
U
∈ ∈ -->
P
(
X
)
|
(
∃ ∃ -->
A
)
[
(
A
⊆ ⊆ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
⋃ ⋃ -->
A
=
U
)
]
}
{\displaystyle {\mathcal {U}}:=\left\{U\in {\mathcal {P}}(X)\,{\bigg |}\,(\exists {\mathcal {A}})\left[({\mathcal {A}}\subseteq {\mathcal {F}})\wedge \left(\bigcup {\mathcal {A}}=U\right)\right]\right\}}
為
X
{\displaystyle X}
上的拓扑 。
證明
以下逐條檢驗拓扑 的定義:
(1) 等價於「
X
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle X\in {\mathcal {U}}}
」的條件
若
X
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle X\in {\mathcal {U}}}
,則:
(
∃ ∃ -->
A
)
[
(
A
⊆ ⊆ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
⋃ ⋃ -->
A
=
X
)
]
{\displaystyle (\exists {\mathcal {A}})\left[({\mathcal {A}}\subseteq {\mathcal {F}})\wedge \left(\bigcup {\mathcal {A}}=X\right)\right]}
(a)
考慮到
F
⊆ ⊆ -->
P
(
X
)
{\displaystyle {\mathcal {F}}\subseteq {\mathcal {P}}(X)}
,所以根據有无限并集性質 的定理(1)與(2)有
⋃ ⋃ -->
F
⊆ ⊆ -->
X
{\displaystyle \bigcup {\mathcal {F}}\subseteq X}
但根據无限并集性質 的定理(1),(a)又等價於:
(
∃ ∃ -->
A
)
[
(
A
⊆ ⊆ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
⋃ ⋃ -->
A
=
X
)
∧ ∧ -->
(
⋃ ⋃ -->
A
⊆ ⊆ -->
⋃ ⋃ -->
F
)
]
{\displaystyle (\exists {\mathcal {A}})\left[({\mathcal {A}}\subseteq {\mathcal {F}})\wedge \left(\bigcup {\mathcal {A}}=X\right)\wedge \left(\bigcup {\mathcal {A}}\subseteq \bigcup {\mathcal {F}}\right)\right]}
所以有:
X
⊆ ⊆ -->
⋃ ⋃ -->
F
{\displaystyle X\subseteq \bigcup {\mathcal {F}}}
所以從
X
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle X\in {\mathcal {U}}}
有:
⋃ ⋃ -->
F
=
X
{\displaystyle \bigcup {\mathcal {F}}=X}
(a1)
反之若有 (a1),因為
F
⊆ ⊆ -->
F
{\displaystyle {\mathcal {F}}\subseteq {\mathcal {F}}}
,所以有
X
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle X\in {\mathcal {U}}}
。故在本定理的前提下,(a1)等價於
X
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle X\in {\mathcal {U}}}
。
(2)
∅ ∅ -->
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle \varnothing \in {\mathcal {U}}}
首先考慮到
∅ ∅ -->
⊆ ⊆ -->
F
{\displaystyle \varnothing \subseteq {\mathcal {F}}}
,然後從无限并集性質 的定理(0)有
∅ ∅ -->
=
⋃ ⋃ -->
∅ ∅ -->
{\displaystyle \varnothing =\bigcup \varnothing }
,故
∅ ∅ -->
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle \varnothing \in {\mathcal {U}}}
。
(3) 對任意
A
⊆ ⊆ -->
U
{\displaystyle {\mathfrak {A}}\subseteq {\mathcal {U}}}
有
⋃ ⋃ -->
A
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle \bigcup {\mathfrak {A}}\in {\mathcal {U}}}
首先,
A
⊆ ⊆ -->
U
{\displaystyle {\mathfrak {A}}\subseteq {\mathcal {U}}}
可等價地展開為
(
∀ ∀ -->
A
∈ ∈ -->
A
)
(
∃ ∃ -->
B
)
[
(
B
⊆ ⊆ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
⋃ ⋃ -->
B
=
A
)
]
{\displaystyle (\forall A\in {\mathfrak {A}})(\exists {\mathcal {B}})\left[({\mathcal {B}}\subseteq {\mathcal {F}})\wedge \left(\bigcup {\mathcal {B}}=A\right)\right]}
(b)
上式可直觀地解釋成「
A
∈ ∈ -->
A
{\displaystyle A\in {\mathfrak {A}}}
都是
F
{\displaystyle {\mathcal {F}}}
內某些集合的并集 」,既然如此,取一個蒐集各種不同
A
{\displaystyle A}
的子集 的集族
P
A
{\displaystyle {\mathcal {P}}_{\mathfrak {A}}}
:
P
A
:=
{
S
|
(
∃ ∃ -->
A
)
[
(
A
∈ ∈ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
S
⊆ ⊆ -->
A
)
]
}
{\displaystyle {\mathcal {P}}_{\mathfrak {A}}:=\left\{S\,|\,(\exists A)[(A\in {\mathfrak {A}})\wedge (S\subseteq A)]\right\}}
這樣根據有限交集 的性質,
x
∈ ∈ -->
⋃ ⋃ -->
(
P
A
∩ ∩ -->
F
)
{\displaystyle x\in \bigcup ({\mathcal {P}}_{\mathfrak {A}}\cap {\mathcal {F}})}
等價於
(
∃ ∃ -->
S
)
{
(
x
∈ ∈ -->
S
)
∧ ∧ -->
(
S
∈ ∈ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
∃ ∃ -->
A
)
[
(
A
∈ ∈ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
S
⊆ ⊆ -->
A
)
]
}
{\displaystyle (\exists S)\left\{(x\in S)\wedge (S\in {\mathcal {F}})\wedge (\exists A)\left[(A\in {\mathfrak {A}})\wedge (S\subseteq A)\right]\right\}}
考慮到一阶逻辑 的定理(Ce) ,將
(
∃ ∃ -->
A
)
{\displaystyle (\exists A)}
移至最前,再將
(
∃ ∃ -->
S
)
{\displaystyle (\exists S)}
移入括弧內 ,上式就依據(Equv) 而等價於
(
∃ ∃ -->
A
)
{
(
A
∈ ∈ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
∃ ∃ -->
S
)
[
(
x
∈ ∈ -->
S
)
∧ ∧ -->
(
S
∈ ∈ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
S
⊆ ⊆ -->
A
)
]
}
{\displaystyle (\exists A)\left\{(A\in {\mathfrak {A}})\wedge (\exists S)\left[(x\in S)\wedge (S\in {\mathcal {F}})\wedge (S\subseteq A)\right]\right\}}
也就等價於
(
∃ ∃ -->
A
)
{
(
A
∈ ∈ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
x
∈ ∈ -->
⋃ ⋃ -->
[
P
(
A
)
∩ ∩ -->
F
]
)
}
{\displaystyle (\exists A)\left\{(A\in {\mathfrak {A}})\wedge \left(x\in \bigcup [{\mathcal {P}}(A)\cap {\mathcal {F}}]\right)\right\}}
根據无限并集性質 的定理(4),從(b)有
(
∀ ∀ -->
A
∈ ∈ -->
A
)
(
∃ ∃ -->
B
)
{
(
B
⊆ ⊆ -->
F
)
∧ ∧ -->
{
A
⊆ ⊆ -->
⋃ ⋃ -->
[
B
∩ ∩ -->
P
(
A
)
]
}
}
{\displaystyle (\forall A\in {\mathfrak {A}})(\exists {\mathcal {B}})\left\{({\mathcal {B}}\subseteq {\mathcal {F}})\wedge \left\{A\subseteq \bigcup [{\mathcal {B}}\cap {\mathcal {P}}(A)]\right\}\right\}}
這樣根據无限并集性質 的定理(1)又會有
(
∀ ∀ -->
A
∈ ∈ -->
A
)
{
A
⊆ ⊆ -->
⋃ ⋃ -->
[
F
∩ ∩ -->
P
(
A
)
]
}
{\displaystyle (\forall A\in {\mathfrak {A}})\left\{A\subseteq \bigcup [{\mathcal {F}}\cap {\mathcal {P}}(A)]\right\}}
考慮到
F
∩ ∩ -->
P
(
A
)
⊆ ⊆ -->
P
(
A
)
{\displaystyle {\mathcal {F}}\cap {\mathcal {P}}(A)\subseteq {\mathcal {P}}(A)}
,從无限并集性質 的定理(1)與定理(2)有
⋃ ⋃ -->
F
∩ ∩ -->
P
(
A
)
⊆ ⊆ -->
A
{\displaystyle \bigcup {\mathcal {F}}\cap {\mathcal {P}}(A)\subseteq A}
所以最後從(b)有
(
∀ ∀ -->
A
∈ ∈ -->
A
)
{
A
=
⋃ ⋃ -->
[
F
∩ ∩ -->
P
(
A
)
]
}
{\displaystyle (\forall A\in {\mathfrak {A}})\left\{A=\bigcup [{\mathcal {F}}\cap {\mathcal {P}}(A)]\right\}}
所以
x
∈ ∈ -->
⋃ ⋃ -->
(
P
A
∩ ∩ -->
F
)
{\displaystyle x\in \bigcup ({\mathcal {P}}_{\mathfrak {A}}\cap {\mathcal {F}})}
最後等價於
(
∃ ∃ -->
A
)
[
(
A
∈ ∈ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
x
∈ ∈ -->
A
)
]
{\displaystyle (\exists A)\left[(A\in {\mathfrak {A}})\wedge (x\in A)\right]}
換句話說
x
∈ ∈ -->
⋃ ⋃ -->
A
{\displaystyle x\in \bigcup {\mathfrak {A}}}
這樣考慮到
P
A
∩ ∩ -->
F
⊆ ⊆ -->
F
{\displaystyle {\mathcal {P}}_{\mathfrak {A}}\cap {\mathcal {F}}\subseteq {\mathcal {F}}}
就有
⋃ ⋃ -->
A
=
⋃ ⋃ -->
(
P
A
∩ ∩ -->
F
)
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle \bigcup {\mathfrak {A}}=\bigcup ({\mathcal {P}}_{\mathfrak {A}}\cap {\mathcal {F}})\in {\mathcal {U}}}
所以在本定理的前提下, 對所有
A
⊆ ⊆ -->
U
{\displaystyle {\mathfrak {A}}\subseteq {\mathcal {U}}}
都有
⋃ ⋃ -->
A
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle \bigcup {\mathfrak {A}}\in {\mathcal {U}}}
。
(4)等價於「
U
,
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U,\,V\in {\mathcal {U}}}
則
U
∩ ∩ -->
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U\cap V\in {\mathcal {U}}}
」的條件
若
「對所有的
U
,
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U,\,V\in {\mathcal {U}}}
有
U
∩ ∩ -->
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U\cap V\in {\mathcal {U}}}
」(P)
因取任意
B
1
,
B
2
∈ ∈ -->
F
{\displaystyle B_{1},\,B_{2}\in {\mathcal {F}}}
都有:
B
1
=
⋃ ⋃ -->
{
B
1
}
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle B_{1}=\bigcup \{B_{1}\}\in {\mathcal {U}}}
B
2
=
⋃ ⋃ -->
{
B
1
}
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle B_{2}=\bigcup \{B_{1}\}\in {\mathcal {U}}}
故
B
1
∩ ∩ -->
B
2
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle B_{1}\cap B_{2}\in {\mathcal {U}}}
,換句話說從假設(P)可以推出:
「對所有
B
1
,
B
2
∈ ∈ -->
F
{\displaystyle B_{1},\,B_{2}\in {\mathcal {F}}}
,
B
1
∩ ∩ -->
B
2
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle B_{1}\cap B_{2}\in {\mathcal {U}}}
」(P')
另一方面,
U
∩ ∩ -->
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U\cap V\in {\mathcal {U}}}
可等價地展開為:
(
∃ ∃ -->
E
)
{
(
E
⊆ ⊆ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
U
∩ ∩ -->
V
=
⋃ ⋃ -->
E
)
}
{\displaystyle (\exists {\mathcal {E}})\left\{({\mathcal {E}}\subseteq {\mathcal {F}})\wedge \left(U\cap V=\bigcup {\mathcal {E}}\right)\right\}}
因為
U
,
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U,\,V\in {\mathcal {U}}}
可等價地展開為:
(
∃ ∃ -->
A
)
[
(
U
=
⋃ ⋃ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
A
⊆ ⊆ -->
F
)
]
{\displaystyle (\exists {\mathcal {A}})\left[\left(U=\bigcup {\mathcal {A}}\right)\wedge ({\mathcal {A}}\subseteq {\mathcal {F}})\right]}
(
∃ ∃ -->
B
)
[
(
V
=
⋃ ⋃ -->
B
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
F
)
]
{\displaystyle (\exists {\mathcal {B}})\left[\left(V=\bigcup {\mathcal {B}}\right)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq {\mathcal {F}})\right]}
所以在
U
,
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U,\,V\in {\mathcal {U}}}
的前提下
U
∩ ∩ -->
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U\cap V\in {\mathcal {U}}}
又可更進一步等價地展開為:
(
∃ ∃ -->
A
)
(
∃ ∃ -->
B
)
(
∃ ∃ -->
E
)
{
(
A
,
B
,
E
⊆ ⊆ -->
F
)
∧ ∧ -->
(
U
=
⋃ ⋃ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
V
=
⋃ ⋃ -->
B
)
∧ ∧ -->
[
(
⋃ ⋃ -->
A
)
∩ ∩ -->
(
⋃ ⋃ -->
B
)
=
⋃ ⋃ -->
E
]
}
{\displaystyle (\exists {\mathcal {A}})(\exists {\mathcal {B}})(\exists {\mathcal {E}})\left\{({\mathcal {A}},\,{\mathcal {B}},\,{\mathcal {E}}\subseteq {\mathcal {F}})\wedge \left(U=\bigcup {\mathcal {A}}\right)\wedge \left(V=\bigcup {\mathcal {B}}\right)\wedge \left[\left(\bigcup {\mathcal {A}}\right)\cap \left(\bigcup {\mathcal {B}}\right)=\bigcup {\mathcal {E}}\right]\right\}}
此時考慮到一阶逻辑 的定理(Ce) ,連續使用兩次會有:
[
x
∈ ∈ -->
(
⋃ ⋃ -->
A
)
∩ ∩ -->
(
⋃ ⋃ -->
B
)
]
⇔ ⇔ -->
(
∃ ∃ -->
A
)
(
∃ ∃ -->
B
)
[
(
A
∈ ∈ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
B
∈ ∈ -->
B
)
∧ ∧ -->
(
x
∈ ∈ -->
A
∩ ∩ -->
B
)
]
{\displaystyle \left[x\in \left(\bigcup {\mathcal {A}}\right)\cap \left(\bigcup {\mathcal {B}}\right)\right]\Leftrightarrow (\exists A)(\exists B)[(A\in {\mathcal {A}})\wedge (B\in {\mathcal {B}})\wedge (x\in A\cap B)]}
這樣的話,若取一個包含所有
A
∩ ∩ -->
B
{\displaystyle A\cap B}
的集族:
C
:=
{
S
∈ ∈ -->
P
(
X
)
|
(
∃ ∃ -->
A
)
(
∃ ∃ -->
B
)
[
(
A
∈ ∈ -->
A
)
∧ ∧ -->
(
B
∈ ∈ -->
B
)
∧ ∧ -->
(
S
=
A
∩ ∩ -->
B
)
]
}
{\displaystyle {\mathcal {C}}:=\left\{S\in {\mathcal {P}}(X)\,{\big |}\,(\exists A)(\exists B)[(A\in {\mathcal {A}})\wedge (B\in {\mathcal {B}})\wedge (S=A\cap B)]\right\}}
這樣就有:
⋃ ⋃ -->
C
=
(
⋃ ⋃ -->
A
)
∩ ∩ -->
(
⋃ ⋃ -->
B
)
{\displaystyle \bigcup {\mathcal {C}}=\left(\bigcup {\mathcal {A}}\right)\cap \left(\bigcup {\mathcal {B}}\right)}
而且考慮到
A
⊆ ⊆ -->
F
{\displaystyle {\mathcal {A}}\subseteq {\mathcal {F}}}
和
B
⊆ ⊆ -->
F
{\displaystyle {\mathcal {B}}\subseteq {\mathcal {F}}}
,所以在(P')的前提下,所有的
A
∩ ∩ -->
B
{\displaystyle A\cap B}
都在
U
{\displaystyle {\mathcal {U}}}
裡,換句話說,
C
⊆ ⊆ -->
U
{\displaystyle {\mathcal {C}}\subseteq {\mathcal {U}}}
,故從上小結的結果有:
U
∩ ∩ -->
V
∈ ∈ -->
U
{\displaystyle U\cap V\in {\mathcal {U}}}
所以,(P')跟(P)等價 。
綜合上面的(a1)、(a2)、和(P'),本定理得證。
◻ ◻ -->
{\displaystyle \Box }
一般會根據无限并集性質 的定理(4),將第二個條件等價的寫為:
「對所有
B
1
,
B
2
∈ ∈ -->
F
{\displaystyle B_{1},\,B_{2}\in {\mathcal {F}}}
,
B
1
∩ ∩ -->
B
2
=
⋃ ⋃ -->
[
F
∩ ∩ -->
P
(
B
1
∩ ∩ -->
B
2
)
]
{\displaystyle B_{1}\cap B_{2}=\bigcup [{\mathcal {F}}\cap {\mathcal {P}}(B_{1}\cap B_{2})]}
」
也就等價於:
「所有的
B
1
,
B
2
∈ ∈ -->
F
{\displaystyle B_{1},\,B_{2}\in {\mathcal {F}}}
,對任意
x
∈ ∈ -->
B
1
∩ ∩ -->
B
2
{\displaystyle x\in B_{1}\cap B_{2}}
都存在
C
∈ ∈ -->
[
F
∩ ∩ -->
P
(
B
1
∩ ∩ -->
B
2
)
]
{\displaystyle C\in [{\mathcal {F}}\cap {\mathcal {P}}(B_{1}\cap B_{2})]}
使得
x
∈ ∈ -->
C
{\displaystyle x\in C}
」
定義
由上面動機一節的定理,可以作如下的定義:
範例
以所有實數線 中的開區間 為元素所構成的集合是拓撲基,因為:
任意實數
r
∈ ∈ -->
R
{\displaystyle r\in \mathbb {R} }
都包含在某個開區間裡,如
(
r
− − -->
1
,
r
+
1
)
{\displaystyle (r-1,\,r+1)}
。故開區間全體「覆蓋」了整條實數線。
任何兩個開區間的交集要么也是開區間要么為空。
對任意開區間
(
a
,
b
)
{\displaystyle (a,\,b)}
內的實數
c
∈ ∈ -->
(
a
,
b
)
{\displaystyle c\in (a,\,b)}
,都有一個比
(
a
,
b
)
{\displaystyle (a,\,b)}
更小的開區間也包含
c
{\displaystyle c}
,如
(
a
+
c
2
,
b
+
c
2
)
{\displaystyle \left({\frac {a+c}{2}},\,{\frac {b+c}{2}}\right)}
。
這些性質正好滿足拓撲基的定義。
更一般的來說,以度量空间 的開球 為元素所構成的集合是拓撲基,因為:
度量空間的任意點都可作為開球的球心,故開球全體「覆蓋」了整個度量空間。
取任二開球
B
r
a
(
a
)
{\displaystyle B_{r_{a}}(a)}
和
B
r
b
(
b
)
{\displaystyle B_{r_{b}}(b)}
,若
x
∈ ∈ -->
B
r
a
(
a
)
∩ ∩ -->
B
r
b
(
b
)
{\displaystyle x\in B_{r_{a}}(a)\cap B_{r_{b}}(b)}
,且
r
=
min
{
r
a
− − -->
d
(
x
,
a
)
,
r
b
− − -->
d
(
x
,
b
)
}
{\displaystyle r=\min\{r_{a}-d(x,\,a),\,r_{b}-d(x,\,b)\}}
,則
B
r
(
x
)
⊆ ⊆ -->
B
r
a
(
a
)
∩ ∩ -->
B
r
b
(
b
)
{\displaystyle B_{r}(x)\subseteq B_{r_{a}}(a)\cap B_{r_{b}}(b)}
。
重要性質
證明
設
B
{\displaystyle {\mathcal {B}}}
所生成的拓撲是
τ τ -->
B
{\displaystyle \tau _{\mathcal {B}}}
;另一方面包含
B
{\displaystyle {\mathcal {B}}}
的最粗拓撲 為
τ τ -->
(
B
)
{\displaystyle \tau ({\mathcal {B}})}
。
根據最粗拓撲 的定義有:
⊢ ⊢ -->
(
∀ ∀ -->
S
)
{
[
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
(
B
)
]
⇔ ⇔ -->
(
∀ ∀ -->
T
)
{
[
(
T
is a topology of
X
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
T
)
]
⇒ ⇒ -->
(
S
∈ ∈ -->
T
)
}
}
{\displaystyle \vdash (\forall S){\big \{}[S\in \tau ({\mathcal {B}})]\Leftrightarrow (\forall {\mathfrak {T}})\{[({\mathfrak {T}}{\text{ is a topology of }}X)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq {\mathfrak {T}})]\Rightarrow (S\in {\mathfrak {T}})\}{\big \}}}
(a)
那以量词公理(A4) 將
∀ ∀ -->
S
{\displaystyle \forall S}
去掉會有:
⊢ ⊢ -->
[
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
(
B
)
]
⇔ ⇔ -->
(
∀ ∀ -->
T
)
{
[
(
T
is a topology of
X
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
T
)
]
⇒ ⇒ -->
(
S
∈ ∈ -->
T
)
}
{\displaystyle \vdash [S\in \tau ({\mathcal {B}})]\Leftrightarrow (\forall {\mathfrak {T}})\{[({\mathfrak {T}}{\text{ is a topology of }}X)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq {\mathfrak {T}})]\Rightarrow (S\in {\mathfrak {T}})\}}
那再使用量词公理(A4) ,配合(D1) 會有:
⊢ ⊢ -->
[
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
(
B
)
]
⇒ ⇒ -->
{
[
(
τ τ -->
B
is a topology of
X
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
τ τ -->
B
)
]
⇒ ⇒ -->
(
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
B
)
}
{\displaystyle \vdash [S\in \tau ({\mathcal {B}})]\Rightarrow \{[(\tau _{B}{\text{ is a topology of }}X)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq \tau _{B})]\Rightarrow (S\in \tau _{B})\}}
因為
τ τ -->
B
{\displaystyle \tau _{\mathcal {B}}}
是
B
{\displaystyle {\mathcal {B}}}
所生成的拓撲,配合(D2) 有:(
P
{\displaystyle {\mathcal {P}}}
為 「
B
{\displaystyle {\mathcal {B}}}
是
X
{\displaystyle X}
的拓撲基」的正式敘述)
P
⊢ ⊢ -->
[
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
(
B
)
]
⇒ ⇒ -->
(
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
B
)
{\displaystyle {\mathcal {P}}\vdash [S\in \tau ({\mathcal {B}})]\Rightarrow (S\in \tau _{B})}
另一方面,根據拓撲基的定義有:
P
,
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
B
⊢ ⊢ -->
(
∃ ∃ -->
C
)
[
(
S
=
⋃ ⋃ -->
C
)
∧ ∧ -->
(
C
⊆ ⊆ -->
B
)
]
{\displaystyle {\mathcal {P}},\,S\in \tau _{B}\vdash (\exists {\mathcal {C}})\left[\left(S=\bigcup {\mathcal {C}}\right)\wedge ({\mathcal {C}}\subseteq {\mathcal {B}})\right]}
而根據拓扑 的定義(關於聯集的部分)與演繹定理 會有:
P
,
[
(
T
is a topology of
X
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
T
)
]
,
[
(
S
=
⋃ ⋃ -->
C
)
∧ ∧ -->
(
C
⊆ ⊆ -->
B
)
]
⊢ ⊢ -->
(
S
∈ ∈ -->
T
)
{\displaystyle {\mathcal {P}},\,[({\mathfrak {T}}{\text{ is a topology of }}X)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq {\mathfrak {T}})],\,\left[\left(S=\bigcup {\mathcal {C}}\right)\wedge ({\mathcal {C}}\subseteq {\mathcal {B}})\right]\vdash (S\in {\mathfrak {T}})}
這樣根據(GEN) 與演繹定理 就有:
P
,
[
(
T
is a topology of
X
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
T
)
]
⊢ ⊢ -->
(
∃ ∃ -->
C
)
[
(
S
=
⋃ ⋃ -->
C
)
∧ ∧ -->
(
C
⊆ ⊆ -->
B
)
]
⇒ ⇒ -->
(
S
∈ ∈ -->
T
)
{\displaystyle {\mathcal {P}},\,[({\mathfrak {T}}{\text{ is a topology of }}X)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq {\mathfrak {T}})]\vdash (\exists C)\left[\left(S=\bigcup {\mathcal {C}}\right)\wedge ({\mathcal {C}}\subseteq {\mathcal {B}})\right]\Rightarrow (S\in {\mathfrak {T}})}
換句話說,從演繹定理 與(D1) 有:
P
,
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
B
⊢ ⊢ -->
[
(
T
is a topology of
X
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
T
)
]
⇒ ⇒ -->
(
S
∈ ∈ -->
T
)
{\displaystyle {\mathcal {P}},\,S\in \tau _{B}\vdash [({\mathfrak {T}}{\text{ is a topology of }}X)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq {\mathfrak {T}})]\Rightarrow (S\in {\mathfrak {T}})}
那從普遍化元定理 就有:
P
,
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
B
⊢ ⊢ -->
(
∀ ∀ -->
T
)
{
[
(
T
is a topology of
X
)
∧ ∧ -->
(
B
⊆ ⊆ -->
T
)
]
⇒ ⇒ -->
(
S
∈ ∈ -->
T
)
}
{\displaystyle {\mathcal {P}},\,S\in \tau _{B}\vdash (\forall {\mathfrak {T}})\{[({\mathfrak {T}}{\text{ is a topology of }}X)\wedge ({\mathcal {B}}\subseteq {\mathfrak {T}})]\Rightarrow (S\in {\mathfrak {T}})\}}
這樣從(a),配合(AND) 與(D1) 就有:
P
,
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
B
⊢ ⊢ -->
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
(
B
)
{\displaystyle {\mathcal {P}},\,S\in \tau _{B}\vdash S\in \tau ({\mathcal {B}})}
這樣從(AND) 和演繹定理 就有:
P
⊢ ⊢ -->
(
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
B
)
⇔ ⇔ -->
[
S
∈ ∈ -->
τ τ -->
(
B
)
]
{\displaystyle {\mathcal {P}}\vdash (S\in \tau _{B})\Leftrightarrow [S\in \tau ({\mathcal {B}})]}
套用(GEN) 將
∀ ∀ -->
S
{\displaystyle \forall S}
重新加入就會有:
P
⊢ ⊢ -->
τ τ -->
B
=
τ τ -->
(
B
)
{\displaystyle {\mathcal {P}}\vdash \tau _{B}=\tau ({\mathcal {B}})}
故本定理得証。
◻ ◻ -->
{\displaystyle \Box }
如果 B 1 ,B 2 ,...,B n 是拓撲 T 1 ,T 2 ,...,T n 的基,則集合積 B 1 × B 2 × ... × B n 是乘積拓撲 T 1 × T 2 × ... × T n 的基。在無限乘積的情況下這仍適用,除了出現有限多個基元素之外全部都必須是整個空間之外。
設 B 是 X 的基并設 Y 是 X 的子空間 。那么如果我們交 B 的每個元素於 Y ,結果的集合的搜集是子空間 Y 的基。
X 的子集的搜集是 X 上的拓撲當且僅當它生成自身。
B 是拓撲空間 X 的基,當且僅當 B 的包含 x 的元素的子搜集形成在 x 上的局部基 ,對于 X 的任何點 x 。
給定拓撲的一個基,要證明網 或序列的收斂,在包含假定極限的所有基中的集合中最終證明它就是充分的。
依據基定義的對象
閉集基
閉集 同樣擅長描述空間的拓撲。因為有對於拓撲空間的閉集的對偶的基的概念。給定一個拓撲空間 X , X 的閉集基 是閉集的集合族 F 使得任何閉集 A 是 F 的元素的交集 。
等價的說,閉集族形成了閉集基,如果對於每個閉集 A 和每個不在 A 中的點 x ,存在一個 F 的元素包含 A 但不包含 x 。
容易檢查 F 是 X 的閉集基,當且僅當 F 的成員的補集 的集合族是 X 的開集基。
設 F 是 X 的閉集基。則
∩ F = ∅
對於每個 F 1 和 F 2 在 F 中,并集 F 1 ∪ F 2 是 F 的某個子族的交集(就是說,對于任何不在 F 1 或 F 2 的 x ,存在一個 F 3 在 F 包含 F 1 ∪ F 2 并不包含 x )。
滿足這些條件的集合 X 的任何子集搜集形成 X 上的拓撲的閉集基。這個拓撲的閉集完全就是 F 的成員的交集。
在某些情況下,更習慣使用閉集基而非開集基。例如,一個空間是完全正規空間 ,當且僅當它的零集 形成了閉集基。給定任何拓撲空間 X ,零集形成在 X 上某個拓撲的閉集基。這個拓撲將是 X 上比最初的要粗的最細的完全正規拓撲。在類似的脈絡下,在 A n 上的 Zariski拓撲 被定義為選取多項式函數的零集作為閉集基。
準基
若拓扑空間
X
{\displaystyle X}
是最小的拓扑 使得
X
{\displaystyle X}
的子集的集
B
{\displaystyle B}
都是
X
{\displaystyle X}
的開集,則稱
B
{\displaystyle B}
為
X
{\displaystyle X}
的一個準基 (subbasis/subbase)。另一等價的定義為,若
B
{\displaystyle B}
及其所有有限交集構成了拓扑空間
X
{\displaystyle X}
之基,則
B
{\displaystyle B}
為準基 。
例子:
J.W. 亞歷山大 證明了:若每個準基覆盖 都有一個有限個元素的子覆蓋,則此空間是緊緻 的。
注釋
參考文獻
James Munkres (1975) Topology: a First Course . Prentice-Hall.
Willard, Stephen (1970) General Topology . Addison-Wesley. Reprinted 2004, Dover Publications.