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        點(diǎn)集拓?fù)浣虒W(xué)中幾個(gè)反例的運(yùn)用

        2015-02-27 03:20:08
        關(guān)鍵詞:拓?fù)鋵W(xué)反例子集

        張 婧

        (伊犁師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,新疆伊寧 835000)

        點(diǎn)集拓?fù)浣虒W(xué)中幾個(gè)反例的運(yùn)用

        張 婧

        (伊犁師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,新疆伊寧 835000)

        在點(diǎn)集拓?fù)浣虒W(xué)中通過對(duì)幾個(gè)典型反例的闡述和運(yùn)用,能夠加強(qiáng)學(xué)生對(duì)基本概念和定理的理解,有利于學(xué)生理解和掌握證明過程中所蘊(yùn)含的一些重要方法,提高學(xué)生分析問題和解決問題的能力。

        反例;拓?fù)淇臻g;公理

        點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)是用公理化方法研究抽象空間性質(zhì)的學(xué)科.所謂公理化方法是從少數(shù)原始概念和若干無(wú)矛盾的公理出發(fā)運(yùn)用嚴(yán)密的邏輯推理建立理論體系的方法.因此,點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)與近代數(shù)學(xué)的其他分支一樣是一門抽象程度較高的學(xué)科.學(xué)好這門課需要較強(qiáng)的抽象思維能力,這恰恰是大多數(shù)學(xué)生覺得困難的地方.通過對(duì)課程中一些典型問題的分析研討,可以使學(xué)生更牢固地掌握數(shù)學(xué)的思想方法并具備初步進(jìn)行數(shù)學(xué)理論研究的能力.在教學(xué)中適當(dāng)?shù)貥?gòu)造反例,通過反例使學(xué)生掌握點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)中的概念本質(zhì),簡(jiǎn)明地說明概念間相互的聯(lián)系與差異,能夠使學(xué)生真正掌握概念,為修正學(xué)生對(duì)知識(shí)理解中出現(xiàn)的錯(cuò)誤提供幫助.

        1 點(diǎn)集

        學(xué)習(xí)點(diǎn)集拓?fù)?,首先?yīng)清楚拓?fù)淇臻g中各類集合的定義及集合之間的關(guān)系,例如拓?fù)淇臻g中的導(dǎo)集、閉集以及二者之間的關(guān)系.

        定義1 設(shè)X是一個(gè)拓?fù)淇臻g,A?X.如果點(diǎn)x∈X的每一個(gè)鄰域U中都有A中異于x的點(diǎn),即U∩(A-{x})≠?,則稱點(diǎn)x是集合A的一個(gè)凝聚點(diǎn)或極限點(diǎn).集合A的所有凝聚點(diǎn)構(gòu)成的集合稱為導(dǎo)集,記作d(A).

        定義2 設(shè)X是一個(gè)拓?fù)淇臻g,A?X.如果A的每一個(gè)凝聚點(diǎn)都屬于A,即d(A)?A,則稱A是拓?fù)淇臻gX中的一個(gè)閉集.

        在數(shù)學(xué)分析中配備了由歐式空間上通常的度量所誘導(dǎo)出來的拓?fù)?,就成為一個(gè)拓?fù)淇臻g.對(duì)這個(gè)拓?fù)淇臻g中的集合性質(zhì)學(xué)生相對(duì)更加熟悉,但卻容易限定一般拓?fù)淇臻g中集合的性質(zhì).在歐式度量空間內(nèi),有限集的導(dǎo)集必是空集,但在一般的拓?fù)淇臻g內(nèi)有限集的導(dǎo)集不必是空集.另外,在歐式度量空間中,一個(gè)集的導(dǎo)集必為閉集,而在一般的拓?fù)淇臻g內(nèi),一個(gè)集的導(dǎo)集未必是閉集.下面僅就這兩種情況舉出反例.

        例1 存在某個(gè)有限集合,其導(dǎo)集非空.

        設(shè)X={x1,x2,x3},令τ={X,{x1,x2},{x1,x3},{x1},?},則(X,τ)為一個(gè)拓?fù)淇臻g,考慮X的子集A={x1},則點(diǎn)x2和x3是A的凝聚點(diǎn).故d(A)={x2,x3},即有限集A的導(dǎo)集d(A)非空.

        例2 存在某個(gè)集合的導(dǎo)集不是閉集.

        設(shè)X={x1,x2,x3},令τ={X,{x2,x3},{x1},?},則(X,τ)為一個(gè)拓?fù)淇臻g.取A={x2},易見d(A)={x3}且d(A)不是閉集.

        2 同胚映射

        拓?fù)鋵W(xué)的中心任務(wù)是研究拓?fù)洳蛔冃再|(zhì).所謂拓?fù)洳蛔冃再|(zhì)即為同胚的拓?fù)淇臻g所共有的性質(zhì).而說明兩個(gè)拓?fù)淇臻g是不是同胚的,恰恰就是看兩個(gè)空間之間是否存在一個(gè)同胚映射.因而,同胚映射在拓?fù)鋵W(xué)中是很重要的概念.

        定義3 設(shè)X和Y是兩個(gè)拓?fù)淇臻g,如果f:X→Y是一個(gè)一一映射,并且f和f-:Y→X都是連續(xù)的,則稱f是一個(gè)同胚映射或同胚.

        此定義要求的條件比較強(qiáng),既要求f是連續(xù)的一一映射,同時(shí)要求f-也是連續(xù)的,這些條件是不能蘊(yùn)含的,為此我們給出一個(gè)例子說明即便是連續(xù)的一一映射,其逆映射也可以不是連續(xù)的.

        3 分離性公理

        由拓?fù)淇臻g的分離性公理,我們定義了T0,T1,T2,T3,T4空間(具體定義參見文獻(xiàn)[1]),滿足分離性的這五種拓?fù)淇臻g之間有如下關(guān)系:T4?T3?T2?T1?T0,關(guān)于反方向蘊(yùn)含不成立的反例在此一一給出.

        例4 存在T0而非T1的拓?fù)淇臻g.

        設(shè)X={x1,x2,x3},令τ={X,{x1,x2},{x1,x3},{x1},?},則(X,τ)為一個(gè)拓?fù)淇臻g.易見,X是T0空間.因?yàn)閷?duì)于點(diǎn)x1,x3而言,含點(diǎn)x3的開集必含有點(diǎn)x1,所以X不是T1空間.

        例5 存在T1而非T2的拓?fù)淇臻g.

        設(shè)X為一不可數(shù)集,規(guī)定X上的拓?fù)錇椋篨的閉子集族由X的至多可數(shù)子集連同X組成.易見,X是T1且X中任何兩個(gè)點(diǎn)都不能被開集分離,因而X不是T2空間.

        例6 存在T2的非正則也非正規(guī)的空間.

        Niemytzki平面.設(shè)X?R2,X={(x,y)|y≥0},令R為x軸,在X引進(jìn)如下拓?fù)浠?/p>

        其中,B(P,ε)是R2中按歐式度量以P為中心、ε為半徑的開球.稱V(P,ε)為P的標(biāo)準(zhǔn)鄰域基元,則={V(P,ε)|ε>0,P∈X}是X上的一個(gè)拓?fù)浠?事實(shí)上,我們不難驗(yàn)證,滿足:

        (1)X=UP∈XV(P,ε);

        (2)?V(P1,ε1),V(P2,ε2)∈,?x∈V(P1,ε1)∩V(P2,ε2),必存在V(P,ε),使得

        x∈V(P,ε)?V(p1,ε1)∩V(P2,ε2).對(duì)于?P1,P2∈X,P1≠P2,取ε=ρ(P1,P2),則

        下面說明(X,τ)不是正則的,也不是正規(guī)的.由拓?fù)浠鶚?gòu)造知,x軸上任意子集是閉集.取點(diǎn)θ=(0,0),閉集F=R/{θ}.

        又因?yàn)镕*={θ}是閉集,F(xiàn)∩F*=?,故?U∈U(θ)=U(F*),?W∈U(F)同上所證,有U∩W≠?.所以(X,τ)也不是正規(guī)的.

        4 拓?fù)淇臻g中緊集與閉集

        在緊的Hausdorff空間中每一個(gè)緊子集都是閉集,因而在緊的Hausdorff空間中兩個(gè)緊子集的交還是緊集.然而在一般的拓?fù)淇臻g中這點(diǎn)是不一定成立的.

        例7 存在某個(gè)拓?fù)淇臻g中兩個(gè)緊集,其交不是緊集.

        設(shè)Y是實(shí)數(shù)集并取通常拓?fù)?,Z是點(diǎn)集{0,1}并取平庸拓?fù)?,X=Y×Z取乘積拓?fù)?令A(yù)={[a,b]×{0}}∪{(a,b)×{1}},B={(a,b)×{0}}∪{[a,b]×{1}}.

        需要注意的是,X的開集具有形式(c,d)×?或(c,d)×{0,1}.因此,假若X的開集G含有點(diǎn)x=(y,0),那么G也一定含有點(diǎn)(y,1).

        其次,A∩B不是緊的.因A∩B=(a,b)×{0,1},而(a,b)不是Y的緊子集,故A∩B也不是Y的緊子集.

        5 結(jié)語(yǔ)

        以上是筆者總結(jié)的常用反例,在教學(xué)實(shí)踐中收到了較好的效果,對(duì)學(xué)生進(jìn)一步理解概念和相關(guān)定理起到了促進(jìn)作用,可以使學(xué)生澄清對(duì)某些概念和性質(zhì)的模糊認(rèn)識(shí),也讓他們意識(shí)到拓?fù)淇臻g是要比之前在數(shù)學(xué)分析中討論的度量空間更廣泛的一個(gè)范疇。通過反例的構(gòu)造和應(yīng)用,將度量空間中熟識(shí)的一些概念和性質(zhì)進(jìn)一步一般化,使學(xué)生對(duì)點(diǎn)集拓?fù)湔n程有更深刻的理解,提高他們分析問題、解決問題的能力,最終達(dá)到培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的教學(xué)目的.

        [1]熊金城.點(diǎn)集拓?fù)渲v義[M].3版.北京:高等教育出版社,2003.

        [2]朱培勇,雷銀彬.拓?fù)鋵W(xué)導(dǎo)論[M].北京:科學(xué)出版社,2009.

        [3]汪林,楊富春.拓?fù)淇臻g中的反例[M].北京:科學(xué)出版社,2000.

        [4]鄒應(yīng).拓?fù)鋵W(xué)習(xí)題集[M].武昌:武漢大學(xué)出版社,2003.

        [5]陳肇姜.點(diǎn)集拓?fù)鋵W(xué)題解與反例[M].南京:南京大學(xué)出版社,1997.

        2015-01-02

        伊犁師范學(xué)院一般科研項(xiàng)目(2013YSYB18)。

        張 婧(1980- ),女,山東濟(jì)寧人,伊犁師范學(xué)院數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院講師,博士研究生,從事調(diào)和分析研究。

        O189;G642

        A

        2095-7602(2015)04-0017-03

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