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拓扑和分析学中最重要的概念——紧致性,现代高等数学的基石

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在深入探索数学的拓扑与分析领域时,我们经常遭遇到一些概念,它们既具有深刻的哲学意义,又在实际应用中有着不可或缺的地位。紧致性就是这样的概念之一。尽管它最初的定义简单、直观——在欧几里得空间中,一个集合既闭又有界——但紧致性的魅力远非此所能涵盖。当我们跳出欧几里得空间的边界,探入更广阔、更抽象的拓扑空间,紧致性展现出其深沉的面貌。它与序列的极限、连续函数的性质、甚至是高级的微分几何和代数结构紧密相连。

假设给你一个有界的x轴线段,例如从0到1的开区间,所以所有的实数都严格地位于0和1之间,但不包括0和1本身。

你能在开区间(0,1)上画出一个没有有限最大值的连续函数的图吗?

很多常规类型的曲线都不满足要求,如正(余)弦函数、幂函数等。但有一个函数你应该可以想到:y=1/x。

它的图形在x=0处形成一个垂直渐近线,这意味着当x接近0时,图形的高度会无限增长。因此,它没有有限的最大值。

但如果我要求图形实际上触及x=0和x=1呢?也就是说,图形实际上必须包含一个x坐标为0的点和一个x坐标为1的点,所以不能有渐近线或开区间,但它仍然需要是一条连续的曲线。你现在能画出这样的函数曲线吗?

试图在某个地方设置一个渐近线似乎可行,

但无论你把渐近线放在哪里,都会导致不连续性。所以似乎只能在图上真正地设定一个最高点和最低点?

这样的问题是紧致性(compactness)概念可以帮助解决的问题。它是拓扑学(Topology)分析(Analysis)中最重要的概念之一,第一次了解它时,你可能会感觉有点神秘。那么,什么是紧致性?为什么它在现代数学中如此基础?

正式的定义

紧致性是形状的性质,或者更准确地说,是某种空间中的点集的性质。紧致性的一个相当标准的定义是这样的:“如果K的每一个开覆盖都有一个有限的子覆盖,那么一个拓扑(或度规)空间的子集K就被称为‘紧致的'。"

现在,让我们“解剖”这个定义。首先,它提到了一个“拓扑”或“度规”空间。那是什么?

拓扑

在拓扑学中所有的形状、曲线等都被看作是一个点的集合。而任何点集S都将其所在的空间划分为其他三个集合:S的内部、S的外部和S的边界。

关键要注意的是,一个集合可能包括也可能不包括它的边界,或者甚至只包括它的部分边界。包含所有边界的集合称为集”,不包含其边界的集合称为”开集",只包括其部分边界的集合则没有特定的名称。

揭开紧致性的定义

回到定义,不深入细节,一个“拓扑”或“度规”空间只是一个空间,其中像开(open)、闭(closed)、内部(interior)、外部(exterior)、边界(boundary)等概念有意义。在考虑紧致性时,需要注意的重要集合是开集(open sets)

这些集合只包括内部点,这很重要。这导致了定义的下一部分:开覆盖(open cover)。一个集合的开覆盖是一组开集,它们共同覆盖目标集合。可以是有限个,也可以是无限个,并且单个的大小可以任意。

"子覆盖"只是这些开放集的一个子集合,但仍然可以覆盖目标集。原始的覆盖本身也是其子覆盖之一。

因此,一个"紧致"的集合是一个特殊的集合,对于任何可能是无限的开集合的组合,只要你用它(无限开集合的组合)来覆盖这个集合(紧致集),你总是可以选择一个有限的子集合(无限开集合的组合的子集)来覆盖这个集合。

为了形象化地理解这一点:想象你有一个橡皮泥形状,你可以用一些小的圆形模具(开集)来覆盖它。即使你可以用无数多个小的圆形模具来覆盖橡皮泥,但如果橡皮泥形状是“紧凑”的,那么总会有一种方法,只用有限多的这些模具(可能只需要10个,或20个),仍然可以完全覆盖整个橡皮泥形状。

注意,这并不等同于说这个集合可以被有限个开集合所覆盖。

事实上,所有的集合都是如此:只需选择一个足够大的开集来覆盖它。或者,如果它是一个无界集,只需使用整个空间本身,它也被认为是一个开集。

这里说的是更微妙的东西:它说,如果你给我一个可能非常复杂的开集的组合来覆盖紧致的集合,我总是可以只使用你给我的有限个开集来覆盖这个集合。或者换句话说,任何无限的开集的组合,如果它们一起覆盖了一个紧致的集合,你总是可以使用一个有限的子集来覆盖它。这就是紧致集合的全部。

但即便如此,目前还不太清楚哪种集合会符合这个描述。更进一步地说,为什么具有这种属性的集合会这么有趣或重要呢?

所以让我们看看是否可以更直观地了解这些集合是什么样的,以及它们可以做什么。

紧致集合看起来像什么?

最简单的紧致集合只是一个有限集:一个由有限多个点组成的集合。

因为如果我用开集团覆盖一个有限点的集合,我可以逐点选择一个包含该点的开集。最后,我至多为每个点选择了一个集合,尽管实际上可能更少,因为选择的一些开集可能覆盖了多个点。

这实际上非常接近紧致性的核心:为拓扑目的,紧致集“模拟”有限集,也就是说,某些在有限集上使用的技巧或技术也适用于紧凑集。这稍后再说。

除了有限集合,你可能首先接触到的紧致集的例子是实数线上的封闭和有界集。所以文章开头的封闭区间[0,1]就是一个紧致集的例子。

实数的封闭和有界集是紧致的这一事实被称为Heine-Borel定理,是分析中的一个基本结果。这证明起来需要一些技巧,这里不展示了。现在,转向紧致性的另一种描述——序列紧致性(Sequential compactness)

序列紧致性

为了理解它,请看下面一个点的序列。

根据序列的不同,它可能会或可能不会趋近于一个极限点。

如果它不收敛,它可能通过发散到无穷大或随机分布。如果它收敛,则可以通过选择性地忽略序列中的某些点来提取出一个收敛序列。

看一个例子:

它只在0和1之间交替。这个序列是发散的,因为它从来没有趋近于0或1。

但如果我们选择性地忽略1(或1),将会得到只有0(或1)的序列,显然它们趋近于0(或1)。

这是一个极端的例子,但更普遍地说,如果有一个发散的序列,但尽管如此,在某些地方形成“群集(clusters)”,

那么通过有选择地扔掉不在群集中的点,提取出一个收敛的序列

称之为收敛子序列(Convergent subsequence)

回到紧致性,事实证明,一个集合K是紧致的,当且仅当该集合内的每一个点的序列都有一个子序列趋近于该集合K内的一个点。也就是说,紧致集是一个集合,它迫使其内部的任何点的序列在紧致集内形成群集,并趋近于一个点。

这被称为“序列紧致性(Sequential compactness)”,它与标准的紧致性概念是等价的,除了在某些不常见的拓扑空间中。

从这个新的视角出发,我们可以通过研究一个集合不能成为序列紧致的不同方式,来直观地思考紧致集合,或者换句话说,阻止子序列收敛的不同方式。

最简单的方法是让原始序列趋向于无穷大。

然后任何子序列也将趋向于无穷大,

这意味着包含这样的序列的任何集合都不会是紧致的。所以一个紧致集合的第一个要求是它应该是有界的:它不能无限延伸

阻止序列有一个收敛子序列的第二种方法是让它接近集合中的一个“孔”或“缺失点”

这可以是集合的内部的一个间隙,或者是一个缺失的边界。那么每一个子序列也将接近那个孔,并且将收敛失败。所以一个集合是紧凑的第二个要求是它不应该有这样的缺失点。它应该是“完整的”。

现在,已经有了有界性完整性的两个要求。还有第三种,为了看到它,我们需要一个无限维的空间。

想一下这个问题:一个二维空间中的任何点都可以用两个数字描述:x和y。同样,三维空间中的一个点可以用三个数字描述:x, y和z。所以一个无限维空间中的点可以用一个无限的数字列表描述:

为了简化这个例子,我会限制这个空间只包括最后以一连串的零结束的列表,

考虑这样的点序列,

实际上是列表:每个列表只包含一个1,其余的都是零,序列中的第n个列表在第n个位置有一个1。

这个列表的序列是有界的:它们都距离零列表的距离是1,

但它并不收敛:这个列表的序列不接近任何列表。你可能会认为它收敛到零列表,因为在列表中的任何特定位置最终都会变成零,但从纯粹的拓扑学的角度来看,它并不接近零列表,因为序列中的每一个列表都距离零列表1的距离。

自然地,任何子序列都一样。实际上,有一个点序列,它无休止地探索无限维空间的所有无限多的坐标轴,同时总是保持与原点的固定距离所以它通过某种方式避免了接近任何东西,穿越了无限的维度。这听起来像是科幻小说,但这是真正的数学。

我们需要在一个集合上施加的限制来阻止这种情况被称为“完全有界性(Total Boundness)”,它基本上说的是,

度规空间中的集合S是完全有界的,如果对于任意给定的ε > 0: S可以被有限多个半径为ε的球所覆盖。

在我们熟悉的有限维度欧几里得空间中,这与普通的有界性是一样的,因为任何有界的图形都可以用任何固定大小的有限多个球来覆盖,不管它们有多小。

对于无限维集合,情况并非如此,因为(例如)如果我用半径为1/4的球包围序列中的每一个点,所有的球都会互相分离,因为序列中的每一个列表都距离每一个其他列表的距离都超过1/2。

所以,这序列所存在的集合不是完全有界的

当确保了完全有界性后,我们终于有了确保集合中的每个序列都有一个收敛的子序列的条件,也就是说,这个集合是紧致的。因为有一个定理说明,一个集合是紧致的,当且仅当它是完整的并且完全有界的。

这是我直观地思考紧致性的方式:一个集合是紧凑的,当它足够小且足够“实心”,以至于集合内的序列无法逃到无限远,逃入一个孔或边缘,或通过无限的维度逃脱。

在我们熟知的有限维欧几里得空间中,这正好对应于那些封闭和有界的集合,但是正如我们所看到的,对于更为奇特的空间来说,这并不总是足够的。

这就是我直观地看待紧致集的方式,但即便如此,为什么这样的集合对于分析和拓扑学如此重要呢?它们让我们能做什么?现在让我们来探讨一下。

紧致集有何用?

紧致集之所以好,主要是因为它们经常提供一种方法,可以取得在集合上局部成立的属性,并将其扩展应用到整个集合上。让我们来看一个例子。

还记得文章开头的那个难题吗?找到一个在闭区间[0,1]上的连续函数,但它没有最大值?事实证明,这确实是不可能的,这归结为闭区间[0,1]是紧致的。在紧致集上定义的每个连续函数都会达到最大值和最小值。这个事实被称为极值定理(Extreme Value Theorem)。为了展示紧致性在其中扮演的关键角色,我们将证明它的一个稍微弱一点的版本:定义在紧致集上的任何连续函数都是有界的,这意味着函数的输出既有有限的上界也有有限的下界,但我们不要求函数实际上达到这些界限。

为了具体化,我们考虑那个紧致集是闭区间[0,1]。

首先,考虑区间[0,1]中的任意实数x。由于函数f是连续的,这意味着x的小变化会导致f(x)的相对小的变化。

事实上,如果将x的变化限制在一个足够小的区间内,称之为“δ区间”,我可以使函数的输出值,f(x),保持在某些范围内,比如说,距离它原来的地方0.1的距离。

所以,从本质上讲,我定义了x周围的一个开放区间,在应用f后,该区间的函数图限制在输出空间的有界区间内

换句话说,f在x周围是局部有界的。

你能看出这要表达什么吗?我们可以围绕定义域中的每一个点x构建一个这样的小δ区间,从而可能地覆盖整个[0,1]的无数个δ区间。

但是,因为[0,1]是紧致的,这意味着会过度覆盖,所以可以减少到仍然覆盖[0,1]的这些δ区间的有限子集。但由于f在每一个剩下的δ区间上都是有界的,并且这样的δ区间只有有限多个,所以f必须有一个有限的整体上界:只需取所有剩下的δ区间中f的最高上界。同样地,可以找到一个有限的整体下界。因此,f在整个区间[0,1]上都是有界的。我们已经将局部有界性转化为全局有界性。

但请注意,如果定义域不是紧致的,这个证明就会瓦解,比如在开区间(0,1)上。

如果我们尝试在函数f(x)=1/x上使用相同的技巧,会发现,当x值越来越接近x=0时,为了保持相同的y上的局部界限,δ区间会变得越来越细(因为函数在那里非常陡峭)。不需要x的太多变化,y就会超出我们选择的最大值。在这里,我们无法减少到这些δ区间的有限子集,因为为了覆盖到x=0,需要无限多的它们,因为它们会在越来越接近x=0的地方变得越来越窄。如果有无限多的δ区间,就不能保证有一个δ区间为函数f提供最高可能的上界,而对于函数1/x来说,肯定没有。

在高等数学中,你会一次又一次地遇到这个概念,它往往是许多强大结构的重要组成部分,如函数空间——在这里,函数可以被视为无限维向量来研究。现代数学的很大一部分都是建立在紧致性上的。

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