概率论原理精解【11】

文章目录

• 测度论
• • 拓扑基
  • • 定义
    • 性质
    • 应用
    • 拓扑基生成拓扑的过程
    • • 1. 拓扑基的定义
      • 2. 由拓扑基生成拓扑
      • 3. 例子说明
    • 4. 总结
    • 例子
  • 子基
  • • 基础
    • 例子
    • 构造由子基生成的拓扑
    • • 基础
      • 拓扑子基的定义
      • 解释
      • 例子
      • 总结
  • 子基（subbase）是一个用于生成拓扑的较弱的工具
  • • 定义
    • 构造过程
    • 性质
    • 示例
    • 例子 1: 实数线上的半开区间
    • 例子 2: 离散拓扑
    • 例子 3: 有限补拓扑
• 参考文献

测度论

拓扑基

是拓扑学中的一个重要概念，用于描述拓扑空间的基本结构。以下是对拓扑基的详细解释：

定义

设 X X X是拓扑空间， B \mathcal{B} B是 X X X的一个子集族（即 X X X的子集构成的集合）。如果 X X X中的任意开集都可以表示为 B \mathcal{B} B中元素的并集，则称 B \mathcal{B} B是 X X X的一个拓扑基。

性质

1. 全局性：拓扑基的定义是一种全局的概念，它要求能够用基元（即 B \mathcal{B} B中的元素）的并集来覆盖拓扑空间中的所有开集。
2. 局部性：虽然定义是全局的，但可以通过局部性质来刻画拓扑基。具体来说，如果对于 X X X中的任意一点 x x x和任意包含 x x x的开集 U U U，都存在 B \mathcal{B} B中的元素 B B B使得 x ∈ B ⊆ U x \in B \subseteq U x∈B⊆U，则 B \mathcal{B} B是 X X X的一个拓扑基。
3. 唯一性：在给定集合和满足一定条件的子集族时，可以唯一地确定一个拓扑，使得该子集族恰好是该拓扑的拓扑基。

例子

1. 数轴上的开区间：数轴 R \mathbb{R} R上的所有开区间构成的集合是 R \mathbb{R} R的一个拓扑基。这是因为数轴上的任意开集都可以表示为这些开区间的并集。
2. 离散空间中的单点集：对于离散空间 X X X（即 X X X中任意单点集都是开集的拓扑空间）， X X X的所有单点集构成的集合是 X X X的一个拓扑基。
3. 度量空间中的球形邻域：设 ( X , d ) (X,d) (X,d)是度量空间，对于任意 x ∈ X x \in X x∈X和任意正数 r r r，定义 B ( x , r ) = { y ∈ X ∣ d ( x , y ) < r } B(x,r) = \{y \in X \mid d(x,y) < r\} B(x,r)={y∈X∣d(x,y)<r}为 x x x的 r r r-球形邻域。则 X X X中所有球形邻域的集合是 X X X的一个拓扑基（在由这些球形邻域生成的拓扑下）。

应用

• 拓扑基在拓扑学中有着广泛的应用。通过拓扑基，可以更方便地描述和研究拓扑空间的性质。例如，在证明某个集合族是拓扑基时，可以利用拓扑基的定义和性质来构造所需的开集或验证开集的并集性质。
• 此外，拓扑基还与拓扑空间的连续性、紧性、连通性等重要概念密切相关。

拓扑基生成拓扑的过程

是拓扑学中的一个核心概念，它描述了如何通过一组特定的子集（即拓扑基）来定义和构造一个拓扑空间。以下是拓扑基生成拓扑的详细过程：

1. 拓扑基的定义

首先，我们需要明确拓扑基的定义。在一个集合X上，一个拓扑基B是X的子集的一个集合，满足以下条件：

• 对于X中的每个点x，都存在B中的一个元素（称为基元素）包含x。
• 如果x属于B中两个元素U和V的交集，那么存在B中的第三个元素W，使得x∈W且W⊆U∩V。

2. 由拓扑基生成拓扑

有了拓扑基B之后，我们可以通过以下步骤来生成一个拓扑T：

• 定义开集：X的一个子集U被称为开集，如果对于U中的每个点x，都存在B中的一个元素V，使得x∈V且V⊆U。换句话说，U可以由B中的元素（即基元素）的并集来“覆盖”。
• 验证拓扑性质：由上述方式定义的开集集合T满足拓扑的三个基本性质：
  • T包含空集∅和全集X。
  • T对任意并运算封闭，即如果 { U i : i ∈ I } \{U_i:i∈I\} {Ui​:i∈I}是T的一个子集族，那么 ∪ i ∈ I , U i ∪_{i∈I},U_i ∪i∈I​,Ui​也在T中。
  • T对有限交运算封闭，即如果 U 1 , . . . , U n U_1,...,U_n U1​,...,Un​是T中的有限个元素，那么 U 1 ∩ . . . ∩ U n U_1∩...∩U_n U1​∩...∩Un​也在T中。

3. 例子说明

为了更具体地说明这一过程，我们可以考虑数轴上的标准拓扑。在这个例子中，拓扑基B可以定义为所有开区间的集合，即B={(a,b):a<b, a,b∈R}。

• 对于数轴上的任意开集U，我们都可以找到B中的一系列开区间 { ( a i , b i ) : i ∈ I } \{(a_i,b_i):i∈I\} {(ai​,bi​):i∈I}，使得U是这些开区间的并集。即， U = ∪ i ∈ I ( a i , b i ) U=∪_{i∈I} (a_i,b_i) U=∪i∈I​(ai​,bi​)。
• 验证可知，由这些开区间生成的开集集合满足拓扑的三个基本性质，因此它构成了数轴上的一个拓扑。

4. 总结

拓扑基生成拓扑的过程是通过定义一组满足特定条件的子集（即拓扑基）来“覆盖”或“生成”拓扑空间中的开集。这些开集进一步满足拓扑的三个基本性质，从而构成了一个完整的拓扑空间。通过这种方法，我们可以灵活地定义和构造各种拓扑空间，以研究它们的性质和应用。

例子

• 设 X = { x ∈ R : 1 < x < 5 } 设X=\{x \in R:1\lt x\lt 5\} 设X={x∈R:1<x<5}

• X X X标准拓扑由所有开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)（其中 a , b ∈ R , 1 < a < b < 5 a, b \in \mathbb{R},1\lt a \lt b \lt 5 a,b∈R,1<a<b<5）的并集生成。因此，所有形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) （其中 a , b ∈ R , 1 < a < b < 5 a, b \in \mathbb{R},1\lt a \lt b \lt 5 a,b∈R,1<a<b<5）的开区间的集合是 ( X , τ ) (X,\tau) (X,τ) 的一个拓扑基。

• 给定一个开区间 ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 的拓扑基，我们可以在这个区间内选择开区间的集合来形成一个拓扑基。这个基将用于生成该区间上的拓扑。

• 开区间 ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 的拓扑基

( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 为实数集 R \mathbb{R} R 的一个子集，我们可以定义拓扑基 B B B 为所有包含在 ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 内的开区间的集合，也就是形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的所有区间，其中 1 < a < b < 5 1 < a < b < 5 1<a<b<5。

具体来说，拓扑基 B B B 可以表示为：
B = { ( a , b ) ∣ 1 < a < b < 5 } B = \{(a, b) \mid 1 < a < b < 5\} B={(a,b)∣1<a<b<5}
这个集合 B B B 作为基，满足以下条件：

1. 覆盖条件：对于 ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 中的每一个点 x ∈ ( 1 , 5 ) x \in (1, 5) x∈(1,5)，总存在一个基中的开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b) 使得 x ∈ ( a , b ) x \in (a, b) x∈(a,b)，因为我们可以选择 a < x < b a < x < b a<x<b 使得 ( a , b ) (a, b) (a,b) 包含 x x x 并且仍然在 ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 内。

2. 有限交集条件：对于任意两个基中的区间 ( a 1 , b 1 ) (a_1, b_1) (a1​,b1​) 和 ( a 2 , b 2 ) (a_2, b_2) (a2​,b2​)，它们的交集也是一个开区间，如果交集非空，那么交集的形式为 ( max ⁡ ( a 1 , a 2 ) , min ⁡ ( b 1 , b 2 ) ) (\max(a_1, a_2), \min(b_1, b_2)) (max(a1​,a2​),min(b1​,b2​))，该交集仍然是 ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 内的开区间，因而也属于基 B B B 中。

因此， ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 的拓扑可以通过该基 B B B 生成，所有 ( 1 , 5 ) (1, 5) (1,5) 内的开集可以表示为基中的这些开区间的并集。

• 拓扑基（Topology Basis）的定义

在拓扑学中，拓扑基（也称为开集基）是用来生成一个拓扑空间的开集的一个集合。具体来说，给定一个集合 X X X，其上的拓扑基 B B B 是满足以下两个条件的集合的一个子集：

1. 覆盖条件: X X X 中的每一个点 x x x 至少存在一个基中的集合 B i B_i Bi​ 使得 x ∈ B i x \in B_i x∈Bi​。
2. 有限交集条件: 对于基中的任意两个集合 B 1 , B 2 ∈ B B_1, B_2 \in B B1​,B2​∈B 和它们的交集中的任意一点 x ∈ B 1 ∩ B 2 x \in B_1 \cap B_2 x∈B1​∩B2​，存在一个基中的集合 B 3 ∈ B B_3 \in B B3​∈B 使得 x ∈ B 3 ⊆ B 1 ∩ B 2 x \in B_3 \subseteq B_1 \cap B_2 x∈B3​⊆B1​∩B2​。

通过拓扑基 B B B 可以生成一个拓扑 T \mathcal{T} T，其中 T \mathcal{T} T 是 X X X 的所有开集的集合，定义为：
一个集合 U ⊆ X U \subseteq X U⊆X 是 T \mathcal{T} T 的开集，当且仅当对于 U U U 中的每一个点 x x x，存在基中的一个集合 B i ∈ B B_i \in B Bi​∈B，使得 x ∈ B i ⊆ U x \in B_i \subseteq U x∈Bi​⊆U。

例子

1. 欧几里得空间中的标准基:

   • 设 X = R n X = \mathbb{R}^n X=Rn 是 n n n 维欧几里得空间。我们可以定义一个基 B B B 由所有的开球（即以某个点为中心且半径为正数的球体）组成。更具体地，对于 R 2 \mathbb{R}^2 R2，基 B B B 可以是所有开圆盘的集合。通过这些开圆盘的集合，可以生成标准的欧几里得拓扑。

2. 离散拓扑中的基:

   • 对于任意集合 X X X，它的离散拓扑的基可以是单点集的集合，也就是说， B = { { x } ∣ x ∈ X } B = \{ \{x\} \mid x \in X \} B={{x}∣x∈X}。因为任意集合的交集要么是空集，要么是单点集，而单点集在基中，这样的基确实满足生成拓扑的条件，且该拓扑为离散拓扑。

3. 有限补拓扑中的基:

   • 设 X = R X = \mathbb{R} X=R，可以定义一个拓扑基 B B B 为 R \mathbb{R} R 中所有补集是有限集的开集的集合。比如，$B $ 中的一个元素可以是开集 ( a , ∞ ) (a, \infty) (a,∞) 或 ( − ∞ , b ) (-\infty, b) (−∞,b)。通过这些开集，可以生成有限补拓扑（即补集是有限集的所有集合构成的拓扑）。

4. 通常的拓扑基:

   • 设 X = R 2 X = \mathbb{R}^2 X=R2，我们可以定义一个基 B B B 由所有形式为 ( a , b ) × ( c , d ) (a, b) \times (c, d) (a,b)×(c,d) 的开矩形组成，其中 a < b a < b a<b 和 c < d c < d c<d。这些开矩形的交集要么为空集，要么仍然是一个开矩形，因此它们可以作为生成标准拓扑的基。

这些例子展示了如何利用不同的基来定义不同的拓扑，从而揭示了拓扑基的重要性和应用范围。
拓扑基的例子和例题

1. 实数线上的开区间

   • 设 X = R X = \mathbb{R} X=R 是实数线，其上的标准拓扑由所有开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)（其中 a , b ∈ R a, b \in \mathbb{R} a,b∈R 且 a < b a < b a<b）的并集生成。因此，所有形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的开区间的集合是 R \mathbb{R} R 的一个拓扑基。

2. 离散空间的单点集

   • 设 X X X 是任意集合，其上的离散拓扑定义为使得 X X X 中每个单点集都是开集的拓扑。因此， X X X 的所有单点集构成的集合是 X X X 的一个拓扑基。

3. 欧几里得空间中的球形邻域

   • 设 X = R n X = \mathbb{R}^n X=Rn 是 n n n 维欧几里得空间，其上的标准拓扑由所有开球 B ( x , r ) = { y ∈ R n ∣ ∥ x − y ∥ < r } B(x, r) = \{y \in \mathbb{R}^n \mid \|x - y\| < r\} B(x,r)={y∈Rn∣∥x−y∥<r}（其中 x ∈ R n x \in \mathbb{R}^n x∈Rn， r > 0 r > 0 r>0，且 ∥ ⋅ ∥ \|\cdot\| ∥⋅∥ 是欧几里得范数）的并集生成。因此，所有形如 B ( x , r ) B(x, r) B(x,r) 的开球的集合是 R n \mathbb{R}^n Rn 的一个拓扑基。

4. 有限补拓扑的补集

   • 设 X X X 是有限集，其上的有限补拓扑定义为使得 X X X 中除了有限多个元素之外的所有子集都是开集的拓扑。在这个拓扑中，所有不包含 X X X 中某个特定元素的子集的补集（即包含该元素的所有子集的补集）的集合是 X X X 的一个拓扑基。

例题

例题：证明实数线上的所有形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的开区间的集合是 R \mathbb{R} R 的一个拓扑基。

证明：

1. 验证基元素的开性：显然，每个形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的开区间都是 R \mathbb{R} R 上的开集。

2. 验证并集性质：设 U U U 是 R \mathbb{R} R 上的任意开集。对于 U U U 中的任意点 x x x，由于 U U U 是开集，存在某个 ϵ > 0 \epsilon > 0 ϵ>0 使得 ( x − ϵ , x + ϵ ) ⊆ U (x - \epsilon, x + \epsilon) \subseteq U (x−ϵ,x+ϵ)⊆U。因此， U U U 可以表示为所有包含在其中的形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的开区间的并集。

3. 验证局部性质（可选，但有助于理解）：对于 R \mathbb{R} R 中的任意点 x x x 和任意包含 x x x 的开集 U U U，存在某个 δ > 0 \delta > 0 δ>0 使得 ( x − δ , x + δ ) ⊆ U (x - \delta, x + \delta) \subseteq U (x−δ,x+δ)⊆U。这个区间 ( x − δ , x + δ ) (x - \delta, x + \delta) (x−δ,x+δ) 就是 B \mathcal{B} B（即所有形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的开区间的集合）中的一个元素，它包含 x x x 且被 U U U 包含。

由以上三点可知，所有形如 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的开区间的集合是 R \mathbb{R} R 的一个拓扑基。

子基

基础

• 设 ( x , τ ) 为拓扑空间，称 S ⊂ T 为拓扑 T 的一个子基，如果 S 中的一切有限交构成的集族 S ∗ = { S 1 ∩ S 2 ∩ . . . ∩ S n : S i ∈ S , i = 1 , 2 , . . . , n , n ∈ N } 是 T 的一个基， 即是说 T 每个元都是 S 中的元的有限交的并。 设(x,\tau)为拓扑空间，称S\subset \Tau 为拓扑\Tau的一个子基，如果S中的一切有限交构成的集族 \\S^*=\{S_1\cap S_2 \cap ... \cap S_n:S_i \in S,i=1,2,...,n,n \in N\}是\Tau的一个基， \\即是说\Tau 每个元都是S中的元的有限交的并。 设(x,τ)为拓扑空间，称S⊂T为拓扑T的一个子基，如果S中的一切有限交构成的集族S∗={S1​∩S2​∩...∩Sn​:Si​∈S,i=1,2,...,n,n∈N}是T的一个基，即是说T每个元都是S中的元的有限交的并。
  - X 为非空集合 , S ∈ P ( X ) , X ⊂ ∪ S ∈ S S ， 则 X 上有唯一拓扑以 S 为子基，称这个拓扑为以 S 为子基生成的拓扑 . X为非空集合,\mathcal{S} \in \mathcal{P}(X), X \subset \cup_{S \in \mathcal{S}} S，\\则X上有唯一拓扑以\mathcal{S}为子基，称这个拓扑为以\mathcal{S}为子基生成的拓扑. X为非空集合,S∈P(X),X⊂∪S∈S​S，则X上有唯一拓扑以S为子基，称这个拓扑为以S为子基生成的拓扑.
• 这里 P 是指幂集 这里\mathcal{P}是指幂集 这里P是指幂集

在数学中，当我们提到“集合的幂集”（也称为集合的“幂集合”或“集合的全体子集集合”）时，我们是指一个集合的所有可能子集的集合。换句话说，幂集包含了原集合的所有元素组合成的所有子集，包括空集和原集合本身。

给定一个集合 A A A，其幂集通常表示为 P ( A ) P(A) P(A) ( P \mathcal{P} P(A))或 2 A 2^A 2A。这里， 2 A 2^A 2A 的表示方式来源于集合论中的一个事实：一个有 n n n
个元素的集合有 2 n 2^n 2n 个子集（包括空集和集合本身）。

示例

假设集合 A = { 1 , 2 } A = \{1, 2\} A={1,2}，那么 A A A 的幂集 P ( A ) P(A) P(A) 是：

P ( A ) = { ∅ , { 1 } , { 2 } , { 1 , 2 } } P(A) = \{\emptyset, \{1\}, \{2\}, \{1, 2\}\} P(A)={∅,{1},{2},{1,2}}

这里， ∅ \emptyset ∅ 表示空集， { 1 } \{1\} {1} 和 { 2 } \{2\} {2} 是 A A A 的单元素子集，而 { 1 , 2 } \{1, 2\} {1,2} 是 A A A
本身。

幂集的元素数量

对于任何集合 A A A，如果 ∣ A ∣ = n |A| = n ∣A∣=n（即集合 A A A 有 n n n 个元素），那么 P ( A ) P(A) P(A)（即 A A A 的幂集）将有
2 n 2^n 2n 个元素。这是因为每个元素在子集中都有两种可能的状态：要么在子集中（用 1 表示），要么不在子集中（用 0 表示）。因此，对于
n n n 个元素，总共有 2 n 2^n 2n 种不同的组合方式。

幂集的性质

1. 空集的幂集：空集 ∅ \emptyset ∅ 的幂集只包含一个元素，即空集本身： P ( ∅ ) = { ∅ } P(\emptyset) = \{\emptyset\} P(∅)={∅}。
2. 任何集合都是其自身的幂集的子集：对于任何集合 A A A，都有 A ⊆ P ( P ( A ) ) A \subseteq P(P(A)) A⊆P(P(A))。这是因为 A A A 中的每个元素都可以看作是 A A A 的一个单元素子集的元素，而这些单元素子集都是 P ( A ) P(A) P(A) 的元素。
3. 幂集的幂集：幂集的幂集 P ( P ( A ) ) P(P(A)) P(P(A)) 包含了 A A A 的所有可能子集的所有可能子集，其元素数量将非常庞大。

幂集是集合论中的一个基本概念，它在数学、计算机科学、逻辑学等领域都有广泛的应用。

• 对于拓扑空间 ( X , τ ) 和 ( X 0 , τ ′ ) ， X 0 ⊂ X , τ ′ = X 0 ∩ τ 则称 ( X 0 , τ ′ ) 是 ( X , τ ) 的子空间， X 0 的拓扑 τ ′ 为诱导拓扑 ( i n d u c e d t o p o l o g y ) ， 子空间 ( X 0 , τ ′ ) 中的开集为诱导开集 . 作为 X 的子空间， X 0 上的拓扑总是指诱导拓扑 . 对于拓扑空间 (X,\tau)和 (X_0,\tau')，X_0\subset X,\tau'=X_0\cap \tau \\ 则称 (X_0,\tau')是 (X,\tau) 的子空间，X_0 的拓扑 \tau' 为诱导拓扑 (induced topology) ， \\子空间(X_0,\tau')中的开集为诱导开集. \\作为 X的子空间， X_0上的拓扑总是指诱导拓扑. 对于拓扑空间(X,τ)和(X0​,τ′)，X0​⊂X,τ′=X0​∩τ则称(X0​,τ′)是(X,τ)的子空间，X0​的拓扑τ′为诱导拓扑(inducedtopology)，子空间(X0​,τ′)中的开集为诱导开集.作为X的子空间，X0​上的拓扑总是指诱导拓扑.
• 拓扑空间的子基是一个与拓扑基相关但更宽松的概念，它通常不是拓扑学中的标准术语，但可以从拓扑基的定义中引申出来。以下是对拓扑空间子基的详细说明：

一、定义

设(X,T)为拓扑空间，S⊂T（即S是T的子集族），若S的元的所有有限交的族为T的基，则称S为拓扑空间(X,T)的子基或拓扑S的子基。换句话说，子基S通过其元素的有限交能够生成拓扑T的基。

二、原理

子基的原理基于拓扑基的概念，但放宽了条件。拓扑基要求能够直接通过并集操作生成拓扑中的所有开集，而子基则通过其元素的有限交来间接生成这些开集。这种构造方式允许从更简单的集合族出发，通过更少的操作（有限交和并集）来定义复杂的拓扑结构。

三、计算

计算拓扑空间的子基并不直接涉及复杂的数学公式，而是基于集合的交和并操作。给定一个子基S，我们需要考虑S中所有非空有限子集的交，这些交的集合构成了拓扑T的一个基（或至少可以生成一个基）。然后，从这个基出发，通过并集操作可以生成拓扑T中的所有开集。

四、例子

设X为实数集R，考虑以下子集族S：

S = {(a, +∞) | a ∈ R} ∪ {(-∞, b) | b ∈ R}

这个子集族S包含了所有形如(a, +∞)和(-∞,
b)的半开半闭区间。S不是R上的一个拓扑基，因为它不能通过并集操作直接生成R上的所有开集（例如，它不能生成开区间(a,
b)）。但是，S是R上的一个子基，因为S中元素的有限交可以生成一个拓扑基，进而生成R上的标准拓扑。具体来说，对于任意两个元素(a,
+∞)和(-∞, b)，它们的交集是[a, b)（如果a < b），这是一个开区间，并且所有这样的区间（以及它们的并集）构成了R上的标准拓扑的基。

五、例题

例题：设X为实数集R，考虑以下子集族S：

S = {[a, b) | a, b ∈ R, a < b}

判断S是否是R上的一个子基，并说明理由。

解答：S是R上的一个子基。因为对于S中的任意两个元素[a, b)和[c, d)（假设a < b且c < d），它们的交集可能为空集（如果b ≤ c）或另一个半开半闭区间[max(a, c), min(b, d))（如果a < c < b且c <
d < b）。通过取S中元素的有限交和并集，我们可以生成R上的所有开区间(a, b)（作为[a, b)和[b,
b+ε)的并集，其中ε是任意正实数），进而生成R上的标准拓扑。因此，S是R上的一个子基。

注意：在实际应用中，子基的概念可能因不同的上下文和定义而有所差异。上述解释和例子基于一般拓扑学中的常见理解和应用。
在拓扑学中，拓扑基的子基是一个更弱的概念，它不一定能完全确定一个拓扑，但可以用来生成一个包含给定拓扑的更粗的拓扑。具体来说，如果有一个拓扑空间 ( X , τ ) (X, \tau) (X,τ) 和一个 τ \tau τ 的子集族 S \mathcal{S} S，满足 S \mathcal{S} S 中的元素在 τ \tau τ 中是开集，并且 τ \tau τ 中的每个开集都可以表示为 S \mathcal{S} S 中元素的交集的并集（即可能需要无限次并集操作），则称 S \mathcal{S} S 是 τ \tau τ 的一个子基。

注意，这里与拓扑基的区别在于，拓扑基要求每个开集都可以直接表示为基元素的有限并集，而子基则允许通过无限次并集操作来生成开集。

例子

1. 实数线上的开区间和半开半闭区间
   • 设 B \mathcal{B} B 是实数线 R \mathbb{R} R 上所有开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b) 的集合，它是 R \mathbb{R} R 的一个拓扑基（标准拓扑）。
   • 考虑 S \mathcal{S} S，它是所有形如 [ a , b ) [a, b) [a,b)（其中 a < b a < b a<b）的半开半闭区间的集合。虽然 S \mathcal{S} S 不是 R \mathbb{R} R 的拓扑基（因为不是每个开集都可以直接表示为 S \mathcal{S} S 中元素的有限并集），但它是 R \mathbb{R} R 的标准拓扑的一个子基。因为每个开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b) 可以表示为 [ a , b ) [a, b) [a,b) 和 ( a − 1 , a ) (a-1, a) (a−1,a)（或任何小于 a a a 的数与 a a a 之间的开区间）有限交的并集的子集，并且任意开集都是开区间的并集，因此也是 S \mathcal{S} S 中元素通过无限次并集操作得到的集合的并集。

• 具体分析
  首先，我们需要明确实数线上的开区间、半开半闭区间以及子基的定义。
  实数线上的开区间定义为 ( a , b ) = { x ∈ R ∣ a < x < b } (a, b) = \{ x \in \mathbb{R} | a < x < b \} (a,b)={x∈R∣a<x<b}，其中 a , b ∈ R a, b \in \mathbb{R} a,b∈R 且 a < b a < b a<b。
  半开半闭区间则有两种形式： [ a , b ) = { x ∈ R ∣ a ≤ x < b } [a, b) = \{ x \in \mathbb{R} | a \leq x < b \} [a,b)={x∈R∣a≤x<b} 和 ( a , b ] = { x ∈ R ∣ a < x ≤ b } (a, b] = \{ x \in \mathbb{R} | a < x \leq b \} (a,b]={x∈R∣a<x≤b}，其中 a , b ∈ R a, b \in \mathbb{R} a,b∈R 且 a < b a < b a<b。
  子基的定义是：设 X X X 是一个拓扑空间， S \mathcal{S} S 是 X X X 的一个子集族。如果 S \mathcal{S} S 的有限交的并集能够生成 X X X 的拓扑，则称 S \mathcal{S} S 是 X X X 的一个子基。
  接下来，我们分别考虑开区间和半开半闭区间作为子基的情况。
  对于开区间：
  考虑实数线上的所有开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)，其中 a , b ∈ R a, b \in \mathbb{R} a,b∈R 且 a < b a < b a<b。这些开区间的有限交仍然是开区间（或者空集，空集可以视为任何集合的子集），而它们的并集可以覆盖整个实数线（通过取足够多的、相互重叠的开区间）。因此，开区间的有限交的并集能够生成实数线上的标准拓扑。所以，实数线上的所有开区间构成实数线的一个子基。
  对于半开半闭区间：
  考虑实数线上的所有半开半闭区间 [ a , b ) [a, b) [a,b) 和 ( a , b ] (a, b] (a,b]，其中 a , b ∈ R a, b \in \mathbb{R} a,b∈R 且 a < b a < b a<b。然而，这些半开半闭区间的有限交可能不再是半开半闭区间（例如， [ 0 , 1 ) ∩ ( 0 , 2 ] = ( 0 , 1 ) [0, 1) \cap (0, 2] = (0, 1) [0,1)∩(0,2]=(0,1) 是一个开区间），并且它们的并集虽然可以覆盖实数线的很多部分，但可能无法直接通过有限交和并的操作来生成实数线上的所有开区间（特别是那些不包含端点的开区间）。因此，半开半闭区间作为一个整体并不直接构成实数线的一个子基。
  但是，如果我们同时考虑开区间和半开半闭区间（即所有这三种类型的区间： ( a , b ) (a, b) (a,b)， [ a , b ) [a, b) [a,b)， ( a , b ] (a, b] (a,b]），那么它们的有限交的并集确实能够生成实数线上的标准拓扑。然而，在这种情况下，我们实际上已经包含了开区间作为子集的一部分，因此单独考虑半开半闭区间并不足以构成子基。
  综上所述，实数线上的开区间构成实数线的一个子基，而半开半闭区间单独考虑时并不构成子基。

2. 离散空间的单点集和多点集
   • 设 X X X 是任意集合，其上的离散拓扑 τ \tau τ 包含 X X X 的所有子集。
   • 显然， X X X 的所有单点集构成的集合是 τ \tau τ 的一个拓扑基。
   • 同时， X X X 的任何非空子集族（只要它包含所有单点集作为子集）也都是 τ \tau τ 的子基，因为离散拓扑中的每个开集（即每个子集）都可以表示为这些非空子集的有限交集的并集（尽管在这种情况下，这个“有限交集的并集”实际上可能简化为单个集合）。
     在离散空间中，单点集和多点集的性质与实数线上的区间有所不同。离散空间通常指的是一个集合，其上的拓扑是由该集合的所有子集构成的（即每个子集都是开集）。这种拓扑被称为离散拓扑。

• 具体分析
  现在，我们考虑离散空间中的单点集和多点集作为子基的情况。
  首先，明确几个概念：

• 单点集：只包含一个元素的集合，例如 { a } \{a\} {a}。

• 多点集：包含多个元素的集合，例如 { a , b , c } \{a, b, c\} {a,b,c}。

• 子基：一个集合族，其有限交的并集能够生成给定拓扑空间的拓扑。
  在离散空间中，由于每个子集都是开集，因此任何集合（包括单点集和多点集）的有限交的并集都能生成离散拓扑。具体来说：

• 单点集：在离散空间中，单点集（如 { a } \{a\} {a}）的有限交的并集可以生成包含该点的所有可能子集，包括它自身、其他单点集以及包含该点的多点集。由于离散空间中每个子集都是开集，这些集合的并集实际上就是整个空间，因此单点集可以构成离散空间的一个子基。

• 多点集：同样地，多点集（如 { a , b , c } \{a, b, c\} {a,b,c}）的有限交的并集也可以生成整个离散空间。例如， { a , b } ∪ { b , c } = { a , b , c } \{a, b\} \cup \{b, c\} = \{a, b, c\} {a,b}∪{b,c}={a,b,c}，并且这个多点集还可以与其他单点集或多点集进行有限交和并的操作来生成更多的子集，最终覆盖整个空间。因此，多点集也可以构成离散空间的一个子基。

• 然而，需要注意的是，在离散空间中，由于每个子集都是开集，因此实际上只需要一个集合（例如整个空间本身或任何一个非空子集）就可以作为子基来生成整个离散拓扑。这是因为任何非空子集的有限交的并集都会包含整个空间（因为每个子集都是开集，且它们的并集没有限制）。
  因此，在离散空间中，单点集、多点集以及整个空间本身都可以作为子基来生成离散拓扑。不过，从实际操作的简便性来看，通常选择整个空间本身或任意一个非空子集作为子基就足够了。

在离散空间中，我们可以举一个简单的例子来说明单点集和多点集如何作为子基来生成离散拓扑。

考虑一个离散空间 X = { a , b , c , d } X = \{a, b, c, d\} X={a,b,c,d}，其上的拓扑是离散拓扑，即 X X X 的所有子集都是开集。

1. 单点集作为子基：

   • 选择单点集 { a } \{a\} {a} 作为子基。
   • 通过取单点集 { a } \{a\} {a} 的有限交（在这个例子中，单点集与自身的交仍然是单点集，或者与其他单点集没有交集，因为它们是互不重叠的），我们得到的仍然是单点集或空集。
   • 然后，通过并集操作，我们可以生成包含 a a a 的所有可能子集： { a } \{a\} {a}（单点集本身），以及通过与其他单点集并集得到的 { a , b } \{a, b\} {a,b}， { a , c } \{a, c\} {a,c}， { a , d } \{a, d\} {a,d}， { a , b , c } \{a, b, c\} {a,b,c}， { a , b , d } \{a, b, d\} {a,b,d}， { a , c , d } \{a, c, d\} {a,c,d}， { a , b , c , d } \{a, b, c, d\} {a,b,c,d}（即整个空间）。
   • 注意到，通过有限次的交和并操作，我们实际上可以生成 X X X 的所有子集，即整个离散拓扑。

2. 多点集作为子基：

   • 选择多点集 { a , b } \{a, b\} {a,b} 作为子基。
   • 类似地，通过取有限交（在这个例子中， { a , b } \{a, b\} {a,b} 与自身的交是 { a , b } \{a, b\} {a,b}，与其他单点集或多点集的交可能是更小的集合或空集），我们可以得到一些子集。
   • 然后，通过并集操作，我们可以生成包含 a a a 和 b b b 的所有可能子集，以及通过与其他单点集（如 { c } \{c\} {c}， { d } \{d\} {d}）并集得到的更大集合。
   • 同样地，通过有限次的交和并操作，我们可以生成 X X X 的所有子集，即整个离散拓扑。

在这个例子中，无论是选择单点集还是多点集作为子基，我们都能够生成离散空间 X X X 的所有子集，即离散拓扑。这是因为离散空间中每个子集都是开集，且有限交的并集没有限制，可以覆盖整个空间。因此，在离散空间中，单点集、多点集以及整个空间本身都可以作为子基来生成离散拓扑。不过，从实际操作的简便性来看，通常选择整个空间本身或任意一个非空子集作为子基就足够了。

构造由子基生成的拓扑

基础

• 给定一个集合 X X X 和 X X X 的一个子集族 S \mathcal{S} S，我们可以按照以下步骤构造由 S \mathcal{S} S 生成的拓扑 τ \tau τ：

1. 定义 T 0 = S \mathcal{T}_0 = \mathcal{S} T0​=S。
2. 对于每个正整数 n n n，定义 T n + 1 \mathcal{T}_{n+1} Tn+1​ 为 T n \mathcal{T}_n Tn​ 中元素的所有有限并集构成的集合。
3. 定义 τ = ⋃ n = 0 ∞ T n \tau = \bigcup_{n=0}^\infty \mathcal{T}_n τ=⋃n=0∞​Tn​。

则 τ \tau τ 是 X X X 上的一个拓扑，且 S \mathcal{S} S 是 τ \tau τ 的一个子基。注意，如果 S \mathcal{S} S 实际上是一个拓扑基，那么 τ \tau τ 将仅由 T 1 \mathcal{T}_1 T1​（即 S \mathcal{S} S 中元素的有限并集）确定。但在一般情况下，我们可能需要无限次迭代来生成所有开集。

• 在拓扑学中，给定一个集合 X X X 和一个 X X X 的子集族 S \mathcal{S} S（称为子基），我们可以构造一个由 S \mathcal{S} S 生成的拓扑。这个拓扑是所有包含 S \mathcal{S} S 中元素有限交的并集的集合的集合，但更直接地，它是满足以下条件的 X X X 的子集族 τ \tau τ：

1. X X X 和 ∅ \emptyset ∅（空集）都在 τ \tau τ 中。
2. τ \tau τ 对任意并集封闭，即如果 { U i ∣ i ∈ I } ⊆ τ \{U_i \mid i \in I\} \subseteq \tau {Ui​∣i∈I}⊆τ（其中 I I I 是任意索引集），则 ⋃ i ∈ I U i ∈ τ \bigcup_{i \in I} U_i \in \tau ⋃i∈I​Ui​∈τ。
3. τ \tau τ 对有限交集封闭，但这里我们实际上不需要直接应用这一点来从子基生成拓扑，因为我们将通过考虑 S \mathcal{S} S 中元素有限交的并集来构造它。然而，最终得到的拓扑 τ \tau τ 将自动满足这一点。

但是，为了从子基 S \mathcal{S} S 构造拓扑，我们通常遵循以下步骤：

• 首先，考虑 S \mathcal{S} S 中所有元素有限交的集合。注意，这包括取单个元素的“交”（即元素本身），以及空交（在某些上下文中可能不相关，因为空交在集合论中通常没有定义，或者定义为整个空间，但在这里我们主要关注非空有限交）。
• 然后，取这些有限交的所有可能并集。
• 但是，更简洁的方法是直接考虑 S \mathcal{S} S 中元素有限交的所有并集，这些并集在包含 X X X 和 ∅ \emptyset ∅ 的条件下构成了所需的拓扑。

然而，在离散空间中，由于每个子集都是开集，这个过程实际上变得非常简单：

• 对于离散空间 X X X 和其上的任意子基 S \mathcal{S} S（无论是单点集、多点集还是其他任何非空子集），由 S \mathcal{S} S 生成的拓扑就是 X X X 的所有子集的集合，即离散拓扑。
• 这是因为，无论我们如何选择 S \mathcal{S} S 中的元素进行有限交和并集操作，我们都可以生成 X X X 的任何子集。特别是，由于每个单点集都在离散拓扑中是开集，因此通过并集操作，我们可以从任何非空子基生成整个空间的所有子集。

因此，在离散空间中，构造由子基生成的拓扑实际上是一个平凡的过程，它总是导致离散拓扑。这个过程并不真正依赖于子基的具体选择（只要它是非空的），因为离散空间的性质允许我们从任何非空起点“扩展”到整个空间的所有子集。
以下是对拓扑子基的详细解释及例子：

拓扑子基的定义

设(X,T)为拓扑空间，其中X是集合，T是X上的拓扑（即T是X的子集族，满足空集和全集在T中，T对任意并封闭，以及对有限交封闭）。若S是T的一个子集族（即S⊂T），且S中所有非空有限子族的交构成的集族B（即 B = { S 1 ∩ . . . ∩ S n ∣ S i ∈ S , i = 1 , . . . , n , 且 S i 不全为空集 } B=\{S_1∩...∩S_n|S_i∈S,i=1,...,n,且S_i不全为空集\} B={S1​∩...∩Sn​∣Si​∈S,i=1,...,n,且Si​不全为空集}）是T的拓扑基，则称S为拓扑空间(X,T)的子基或拓扑T的子基。

解释

• 子基与基的关系：子基S通过其所有非空有限子族的交构成的集族B，这个集族B是拓扑T的基。换句话说，子基S“生成”了基B，进而基B“生成”了拓扑T。
• 唯一性：一个拓扑可以有不同的子基，但由子基确定的拓扑是唯一的。即，如果S是T的子基，那么由S生成的拓扑就是T本身。
• 存在性：对于任意非空集族S，只要S是某个集合X上某个拓扑的子集，那么S就一定是X上某个拓扑的子基。这个拓扑是由S唯一确定的，并且是包含S的最小拓扑。

例子

考虑实数集合R，并设以下集合族为S：

S = {(a, +∞) | a ∈ R} ∪ {(-∞, b) | b ∈ R}

这个集合族S包含了所有形如(a, +∞)和(-∞, b)的半开半闭区间。我们可以验证S是R上某个拓扑的子基：

• 对于S中任意两个非空元素S1 = (a, +∞)和S2 = (-∞, b)（假设a < b），它们的交是(a, b)，这也是S中的一个元素（虽然这里我们实际上没有直接取S中的元素进行交，但可以通过调整a和b的值来得到S中的元素作为交的结果）。对于更一般的有限交，结果仍然是S中元素的并（或者通过调整边界值得到S中的元素）。
• 进一步地，我们可以验证由S中所有非空有限子族的交构成的集族B，是R上某个拓扑的基。这个基B包含了所有形如(a, b)的开区间，以及半开半闭区间和单点集（作为特殊情况的交）。
• 最后，由这个基B生成的拓扑T，就是R上的标准拓扑（包含所有开区间、半开半闭区间、有限并、有限交等）。

注意：虽然上述例子中的S不是直接通过有限交得到基B中的所有元素（如单点集），但它是通过调整边界值和考虑更一般的交来隐含地包含这些元素的。在实际应用中，我们通常会选择更直接或更易于处理的子基来定义拓扑。

总结

拓扑子基是拓扑空间中的一个重要概念，它通过有限交的方式“生成”拓扑的基，进而确定整个拓扑。一个拓扑可以有多个不同的子基，但由子基确定的拓扑是唯一的。通过选择合适的子基，我们可以方便地定义和描述各种拓扑空间。

子基（subbase）是一个用于生成拓扑的较弱的工具

它不一定能像拓扑基那样直接通过有限并集来生成所有开集，但可以通过无限次并集操作来生成一个拓扑。给定一个集合 X X X和 X X X上的一个子集族 S \mathcal{S} S，我们可以按照以下步骤来构造由 S \mathcal{S} S生成的拓扑：

定义

设 S \mathcal{S} S是集合 X X X的一个子集族。由 S \mathcal{S} S生成的拓扑 τ \tau τ是包含 S \mathcal{S} S的最小拓扑，即 τ \tau τ是满足以下条件的所有拓扑的交集：

1. τ \tau τ是 X X X上的一个拓扑。
2. S ⊆ τ \mathcal{S} \subseteq \tau S⊆τ（即 S \mathcal{S} S中的每个元素都是 τ \tau τ中的开集）。

构造过程

1. 定义初始集合族：令 T 0 = S \mathcal{T}_0 = \mathcal{S} T0​=S。

2. 迭代生成新的集合族：对于每个正整数 n n n，定义
   T n + 1 = { ⋃ α ∈ A U α ∣ A  是有限集 , U α ∈ T n  对所有  α ∈ A } \mathcal{T}_{n+1} = \left\{ \bigcup_{\alpha \in A} U_\alpha \mid A \text{ 是有限集}, U_\alpha \in \mathcal{T}_n \text{ 对所有 } \alpha \in A \right\} Tn+1​={α∈A⋃​Uα​∣A 是有限集,Uα​∈Tn​ 对所有 α∈A}
   即， T n + 1 \mathcal{T}_{n+1} Tn+1​包含所有 T n \mathcal{T}_n Tn​中元素的有限并集。

3. 取并集得到拓扑：定义
   τ = ⋃ n = 0 ∞ T n \tau = \bigcup_{n=0}^\infty \mathcal{T}_n τ=n=0⋃∞​Tn​
   则 τ \tau τ是由 S \mathcal{S} S生成的拓扑。

性质

• 包含性： S ⊆ τ \mathcal{S} \subseteq \tau S⊆τ。
• 拓扑性： τ \tau τ是 X X X上的一个拓扑，因为它满足拓扑的三个基本性质：空集和全集是开集；有限交封闭；任意并封闭（但在这里我们实际上是通过有限并的迭代来构造的，但任意并的封闭性是通过取极限得到的）。
• 最小性： τ \tau τ是包含 S \mathcal{S} S的最小拓扑，即如果 τ ′ \tau' τ′是另一个包含 S \mathcal{S} S的拓扑，则 τ ⊆ τ ′ \tau \subseteq \tau' τ⊆τ′。

示例

考虑实数集 R \mathbb{R} R，并设 S \mathcal{S} S为所有形如 [ a , + ∞ ) [a, +\infty) [a,+∞)（其中 a ∈ R a \in \mathbb{R} a∈R）的集合的集合。虽然 S \mathcal{S} S不是 R \mathbb{R} R的标准拓扑的一个拓扑基（因为不是每个开集都可以表示为 S \mathcal{S} S中元素的有限并集），但它是该拓扑的一个子基。通过上述构造过程，我们可以证明由 S \mathcal{S} S生成的拓扑实际上是 R \mathbb{R} R的标准拓扑（即所有开集的集合）。

注意：在实际应用中，我们可能不需要显式地计算所有 T n \mathcal{T}_n Tn​，而是直接利用子基的性质来推断哪些集合是开集。例如，在上面的示例中，我们可以直接证明所有开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)（其中 a < b a < b a<b）都是开集，因为它们是 [ a , + ∞ ) [a, +\infty) [a,+∞)和 ( − ∞ , b ] (-\infty, b] (−∞,b]（后者可以通过考虑所有形如 ( − ∞ , c ) (-\infty, c) (−∞,c)的集合作为另一个子基元素来得到）的交集，而交集在拓扑中是封闭的。
当然，我可以给出几个关于子基生成拓扑的例子。这些例子将帮助理解如何通过子基来构造一个拓扑空间。

例子 1: 实数线上的半开区间

设 X = R X = \mathbb{R} X=R（实数集），并定义子基 S \mathcal{S} S 为所有形如 [ a , + ∞ ) [a, +\infty) [a,+∞) 的集合的集合，其中 a ∈ R a \in \mathbb{R} a∈R。

• 构造：由 S \mathcal{S} S 生成的拓扑 τ \tau τ 包含所有可以通过 S \mathcal{S} S 中元素的有限交、无限并以及取补（在必要时）得到的集合。但在这个例子中，由于我们考虑的是实数集上的标准拓扑，我们实际上只需要考虑无限并（因为有限交会给出更“窄”的集合，而取补则不是必需的，因为我们正在构造开集）。
• 结果：通过这个过程，我们可以发现所有开区间 ( a , b ) (a, b) (a,b)（其中 a < b a < b a<b）都是开集，因为 ( a , b ) = ⋃ n = 1 ∞ [ a + 1 n , b ] (a, b) = \bigcup_{n=1}^\infty [a+\frac{1}{n}, b] (a,b)=⋃n=1∞​[a+n1​,b]。进一步地，所有开集（在实数线的标准拓扑中）都可以通过这种方式得到，因此 τ \tau τ 就是实数线的标准拓扑。

例子 2: 离散拓扑

设 X X X 是任意集合，并定义子基 S \mathcal{S} S 为 X X X 的所有单点集 { x } \{x\} {x}，其中 x ∈ X x \in X x∈X。

• 构造：由于单点集是 S \mathcal{S} S 的元素，并且任何集合都可以表示为单点集的并集（即使这个并集是无限的），因此由 S \mathcal{S} S 生成的拓扑 τ \tau τ 包含 X X X 的所有子集。
• 结果： τ \tau τ 就是 X X X 上的离散拓扑，即 X X X 的每个子集都是开集。

例子 3: 有限补拓扑

设 X X X 是一个有限集（例如 X = { 1 , 2 , 3 , 4 } X = \{1, 2, 3, 4\} X={1,2,3,4}），并定义子基 S \mathcal{S} S 为 X X X 中所有非空真子集的补集。即，如果 A ⊊ X A \subsetneq X A⊊X 且 A ≠ ∅ A \neq \emptyset A=∅，则 X ∖ A ∈ S X \setminus A \in \mathcal{S} X∖A∈S。

• 构造：在这个例子中，由于 X X X 是有限的， S \mathcal{S} S 中的每个元素都是 X X X 的一个非空真子集的补集，因此也是 X X X 的一个开集。由 S \mathcal{S} S 生成的拓扑 τ \tau τ 包含所有可以通过 S \mathcal{S} S 中元素的有限交、无限并（在这个情况下，有限并就足够了，因为 X X X 是有限的）得到的集合。
• 结果： τ \tau τ 是 X X X 上的有限补拓扑，即 X X X 的一个子集是开集当且仅当它是 X X X 或 X X X 的一个有限子集的补集。

这些例子展示了子基如何用于生成不同类型的拓扑空间。

参考文献

1.文心一言
2.《测度论基础与高等概率论》
3.ChatGPT