问题

为什么拓扑的连续映射不倒着定义?

回答
好的,我们来深入探讨一下为什么拓扑学中的“连续映射”这个概念,在直观的理解上,似乎与我们日常生活中“映射”或者“转换”的概念有所不同,尤其是当我们试图从结果反推原因时。

首先,我们要明确“连续映射”在拓扑学中的核心定义:

拓扑学中,一个函数 $f: X o Y$(其中 $X$ 和 $Y$ 是拓扑空间)被称为连续的,如果对于 $Y$ 中的任意一个开集 $V$,其原像 $f^{1}(V) = {x in X mid f(x) in V}$ 也是 $X$ 中的一个开集。

这个定义,我们得承认,初看起来确实不那么“直观”。我们习惯了从“输入”到“输出”的思维模式,比如“我把这个按钮按下,灯就亮了”。在这里,“按下按钮”是原因,“灯亮”是结果。如果我们觉得“连续”意味着“平滑”、“不突变”,那么我们自然会倾向于思考:如果输出是“平滑的”,那么输入是不是也应该是“平滑的”?或者说,如果输出的某个小邻域对应到输入的一个小邻域,那么这个映射是不是就连续了?

事实上,你提出的“为什么连续映射不倒着定义?”这个问题,恰恰触及了拓扑学定义连续性的精妙之处,以及它与我们直觉理解的微妙差异。

为什么不“倒着定义”?

如果我们尝试从“结果”出发定义连续性,比如设想一个“逆向连续”的概念:

“逆向连续”设想: 对于 $Y$ 中的任意一个开集 $V$,如果 $f(U)$ 是 $Y$ 中的开集,那么 $U$ 也必须是 $X$ 中的开集。

这里“$f(U)$ 是开集”的意思是,$U$ 是 $Y$ 中某个开集的像。那么,这个“逆向连续”的设想会是什么样子呢?

1. 它捕捉了“形变”的某种性质,但不是拓扑连续性的核心。 拓扑的连续性关乎的是保持“邻近性”的结构。如果一个映射将一个“区域”映射到一个“区域”(开集映射到开集),听起来似乎也很有道理。
2. 它更容易产生反例,并且不如原定义强大。 考虑一个简单的例子:令 $X = mathbb{R}$(实数集合,带有标准拓扑),$Y = mathbb{R}$。令 $f(x) = x^2$。

根据标准定义,$f(x) = x^2$ 是连续的。 为什么?因为对于 $Y$ 中的任何开集 $V$,它的原像 $f^{1}(V)$ 总是 $X$ 中的开集(或者空集,或者 $X$ 本身,这些也都是开集)。比如,如果 $V = (1, 4)$,那么 $f^{1}(V) = {x mid 1 < x^2 < 4} = (2, 1) cup (1, 2)$,这也是 $X$ 中的开集。
现在考虑“逆向连续”的设想。 寻找一个开集 $U subset X$ 使得 $f(U)$ 在 $Y$ 中是开集,但 $U$ 本身不是开集。
考虑 $U = {0}$。$U$ 不是开集。$f(U) = {0}$。${0}$ 在 $Y$ 中不是开集。这个例子不行。
考虑 $U = [0, 1)$。$U$ 不是开集。$f(U) = [0, 1)$。 $[0, 1)$ 在 $Y$ 中也不是开集。这个例子也不行。
考虑 $U = [0, infty)$。$U$ 不是开集。$f(U) = [0, infty)$。 $[0, infty)$ 在 $Y$ 中也不是开集。这个例子也不行。

这个例子好像没能立刻找到反例。让我们换个角度思考,“逆向连续”设想是否能捕捉到拓扑学的核心要求。拓扑学的连续性,最根本的是保持点与点之间的“邻近关系”。如果两个点 $x_1, x_2$ 在 $X$ 中很“近”,那么它们的像 $f(x_1), f(x_2)$ 在 $Y$ 中也应该很“近”。

标准定义正是通过开集来刻画“邻近性”的。一个开集可以看作是包含某个点的“小邻域”。如果 $f$ 是连续的,那么对于 $Y$ 中的任何一个“小邻域” $V$ 包含 $f(x_0)$,那么在 $X$ 中必然存在一个“小邻域” $U$ 包含 $x_0$,使得 $f$ 将 $U$ 中的所有点都映射到 $V$ 中。这就是 $f^{1}(V)$ 是 $X$ 中的开集,并且 $x_0 in f^{1}(V)$ 的含义。

现在,如果我们尝试用“开集映射到开集”来定义连续性:“如果 $U subset X$ 是开集,则 $f(U)$ 是 $Y$ 中的开集”。这听起来很诱人。它描述的是“开集在映射下依然保持开集的性质”。

然而,这个定义是错误的,因为它太强了。存在很多连续映射,它们不满足这个条件。例如,前面提到的 $f(x) = x^2$。令 $X = (1, 1)$(开区间)。这是一个开集。但 $f(X) = [0, 1)$,这在 $Y=mathbb{R}$ 中不是一个开集。

所以,我们不能用“开集映射到开集”来定义连续性,因为它遗漏了许多我们认为是连续的函数。

3. 标准定义是“开集的原像为开集”。 为什么这个定义是正确的?
它直接体现了保持邻近性的思想。 如果 $y_0 in V$($V$ 是 $Y$ 中的开集),那么 $f^{1}(V)$ 中的所有点都映射到 $V$ 中。标准定义要求 $f^{1}(V)$ 是 $X$ 中的开集,这意味着对于任何 $x_0 in f^{1}(V)$(也就是 $f(x_0) in V$),都存在 $X$ 中的一个开集 $U$ 使得 $x_0 in U subset f^{1}(V)$。这正是说,在 $x_0$ 的一个“足够小的邻域”内,所有的点都被映射到 $V$ 中。这种“局部保持邻近性”正是连续性的精髓。
它具有“双向性”的直觉味道,虽然定义上是指向一边。 我们关心的是当 $y$ 在 $Y$ 中靠近 $y_0$ 时,$f^{1}(y)$ 在 $X$ 中是否也靠近 $f^{1}(y_0)$。开集的原像为开集,正是描述了这一点。如果我们知道 $f(x_0)$ 在 $Y$ 中的某个开集 $V$ 里,那么标准定义保证了 $x_0$ 在 $X$ 中的一个开集 $U$ 里,而 $f$ 将 $U$ 的所有点都“送入” $V$ 中。
它更具有普适性,并且是拓扑学的基石。 这个定义适用于所有拓扑空间,无论它们是否具有像 $mathbb{R}$ 那样的度量结构。度量空间的连续性定义(“对于任意 $epsilon > 0$,存在 $delta > 0$ 使得当 $d_X(x, x_0) < delta$ 时,$d_Y(f(x), f(x_0)) < epsilon$”)实际上是拓扑连续性在度量空间上的一个更强的(也更直观的)特例。度量空间的“开球”就是拓扑空间中的“开集”。所以,度量空间的连续性定义可以看作是拓扑连续性定义的具体化。

为什么不能“倒着”简单地定义为“开集映射到开集”?

我们再回到那个“开集映射到开集”的尝试。如果我们将连续性定义为“f 是连续的,当且仅当对于 $X$ 中任意开集 $U$,其像 $f(U)$ 也是 $Y$ 中的开集”。

如前所述,这个定义是太强了,它只会包含那些在保持开集性质上非常“严格”的映射。而我们想要的连续性,是能描述那种“平滑过渡”、“不破坏局部结构”的映射,即使这个映射会把一个开区间压缩成一个闭区间的一半,或者将一个开球映射到一个半开区间。

拓扑学的重点在于研究拓扑不变量,也就是在连续映射下保持不变的性质。比如连通性、紧致性、同伦性等等。连续映射是连接不同拓扑空间的桥梁,它必须允许“形变”,允许空间的“膨松”,但不能“撕裂”或“粘连”原本不相关的点。

标准定义之所以是“开集的原像为开集”,正是因为它捕捉了这种“保守性”:“如果 $Y$ 中的一个区域(开集)可以通过 $f$ 被‘完全覆盖’,那么 $X$ 中对应于这个区域的‘前身’也必须是一个区域(开集)。” 这意味着,$f$ 在局部上并没有把一个“区域”强行“捏碎”成非区域的东西,或者把两个原本“分开的区域”粘连起来。

举个类比:想象你在画一幅地图。你有一个区域 $V$(比如一个国家)是你想要标注的。为了做到这一点,你需要找到在原始地形图 $X$ 上,所有映射到 $V$ 的区域 $U = f^{1}(V)$。如果 $f$ 是连续的,那么 $U$ 本身也应该是一个“连贯的区域”(开集),而不是一个零散的点或者奇怪的集合。否则,你将无法在一个连续的笔触内完成对 $V$ 的描绘。

总结一下,为什么“连续映射不倒着定义”(这里的“倒着定义”是指“开集映射到开集”的定义)的原因:

1. “开集映射到开集”的定义过于严苛(太强)。 存在许多我们认为是连续的函数(例如 $f(x)=x^2$),它们将开集映射为非开集。
2. 标准定义“开集的原像为开集”更符合连续性的核心思想:保持邻近性。 它确保了局部上的“平滑过渡”,使得 $f$ 在每个点都有一个局部“不撕裂”的性质。
3. 标准定义是拓扑学的基础,并且可以推广到没有度量结构的拓扑空间。 度量空间的连续性定义可以看作是其特例。

拓扑学的定义往往是为了捕捉数学结构中最本质、最核心的性质,即使这些定义在初看时不如我们日常的直观理解那样“字面化”。连续性的定义,正是通过对“开集”这一基本拓扑工具的巧妙运用,来刻画了映射在保持空间结构方面的“非破坏性”或“平滑性”。

网友意见

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你可以写一个顺序正常且符合直觉的定义,只不过不用开集:

先定义 点x接近点集S,当且仅当:x属于S的闭包(有些书上把这样的x叫做S的接触点)

那么定义 f连续,当且仅当:如果x接近S,那么f(x)接近f(S)

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