局部紧

每點都有緊鄰域的拓撲空間
(重定向自局部紧致

拓扑学数学的相近分支中,局部紧拓扑空间的每小块,单独看来,都很类似紧空间的一小块。准确而言,其每点周围都有一个紧邻域

数学分析尤其关注豪斯多夫的局部紧空间,常以“局部紧豪斯多夫”(英语:Locally Compact Hausdorff)的首字母简称为LCH空间。[1]:131

严格定义

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 拓扑空间。通常称 局部紧的意思是, 的每点 ,都有紧邻域,即开集 和紧集 ,令 

也有其他常见定义。下列定义在 豪斯多夫(预正则空间亦然)时皆等价,但一般则不一定:

1.  的每点皆有紧邻域
2.  的每点皆有的紧邻域;
2′.  的每点皆有相对紧英语relatively compact邻域;
2″.  的每点皆有相对紧英语relatively compact邻域组成的局部基
3.  的每点皆有紧邻域组成的局部基
3′. 对 的每点  的每个邻域都包含其一个紧邻域;
4.  豪斯多夫,且满足前述以上全部条件。

上述条件中的逻辑关系有:

  • 条件2、2′、2″等价;
  • 条件3、3′等价;
  • 条件2、3互不推出对方;
  • 全部皆推出条件1;
  • 紧空间必定满足条件1、2,条件3则不必。

条件1或较常用作定义,因为最易满足,且当 豪斯多夫时,全部条件皆与条件1等价。要证明等价,用到两个性质:其一,豪斯多夫空间的紧子集必为闭;其二,紧空间的闭子集必为紧。

由于条件2′、2″用相对紧集定义,满足该条件的空间可以更明确称为局部相对紧,而与局部紧空间区分。[2][3]斯蒂恩(Steen)及泽巴赫(Seebach)[4]:20称条件2、2′、2″为强局部紧,而称条件1为局部紧

采用条件4的例子有布尔巴基[5]。应用中,局部紧空间通常的确豪斯多夫,从而无需区分上述定义。本条目主要讨论此种局部紧豪斯多夫(LCH)空间。

例子与反例

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紧豪斯多夫空间

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紧豪斯多夫空间必然局部紧,此种例子见于条目紧空间,略举三例如下:

局部紧但不紧的豪斯多夫空间

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非局部紧的豪斯多夫空间

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若豪斯多夫空间为局部紧,则必为吉洪诺夫空间,详见下节。条目吉洪诺夫空间中,可以找到若干例子,是豪斯多夫空间但非吉洪诺夫,故必不局部紧。

此外,也有吉洪诺夫空间非局部紧,例如:

  • 有理数空间 (配备 的子空间拓扑),因为每个邻域都有柯西序列收敛到无理数,而不在 中,从而不是紧邻域。
  •  的子空间 ,因为原点并无紧邻域。
  • 实数集 下限拓扑(上限拓扑亦同),适用于研究单边极限英语one-sided limit
  • 任何无穷维拓扑向量空间,但要柯尔莫果洛夫(T0,从而豪斯多夫),例如无穷维的希尔伯特空间

首两个例子说明,局部紧空间的子集不必局部紧,与前节开(或闭)子集的情况相对。末一个例子,则与前节欧氏空间的情况相对;具体言之,豪斯多夫拓扑向量空间为局部紧,当且仅当其为有限维(等同欧氏空间)。此例亦与希尔伯特立方英语Hilbert cube作为紧空间的情况相对,但并无矛盾,因为希尔伯特立方不能是希尔伯特空间某点的邻域。

非豪斯多夫的局部紧空间

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性质

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局部紧的预正则空间英语preregular space必为吉洪诺夫空间(完全正则)。由此推论,局部紧的豪斯多夫空间亦为吉洪诺夫空间。由于“正则”比“预正则”(通常稍弱)或“完全正则”(通常稍强)更常用,文献一般称此类空间为局部紧正则空间。同理,局部紧的吉洪诺夫空间一般称局部紧豪斯多夫空间

局部紧豪斯多夫空间必为贝尔空间英语Baire space。换言之,贝尔纲定理适用于此类空间:取任意可数多无处稠密集,其并集内部必为空集

局部紧豪斯多夫空间 拓扑子空间 也是局部紧,当且仅当  某两个闭子集。由此推论,局部紧豪斯多夫空间 的子空间 为局部紧当且仅当 开子集。若将 放宽成任意豪斯多夫空间,则由子空间 局部紧,仍能推出  某两个闭子集之差,反之则不然。

局部紧空间的商空间必为紧生成。反之,紧生成空间必为某个局部紧豪斯多夫空间的商。

对局部紧空间而言,局部均匀收敛英语local uniform convergence紧收敛等价。

无穷远点

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 为局部紧豪斯多夫空间,则 作为吉洪诺夫空间,固然能藉斯通-切赫紧化嵌入到紧豪斯多夫空间 ,但有了局部紧的特殊性质,则有更简单的方法嵌入到紧豪斯多夫空间,称为单点紧化英语one-point compactification。新空间 仅比 多一点。(单点紧化适用于其他空间,但所得的 为豪斯多夫,当且仅当 本身是局部紧且豪斯多夫。)所以,局部紧豪斯多夫空间也可以刻划成紧豪斯多夫空间的开子集

 多出的一点可直观视为无穷远点,此点不在 的任何紧子集中。因此,所谓趋向无穷之事,有一些可借此以局部紧豪斯多夫空间阐明。 举例,定义 上的连续实值英语real-valued function复值函数英语complex-valued function 称为消失于无穷远,是指给定任意正实数  皆有紧子集 ,使  的一切点 成立。前述定义适用于任意拓扑空间 ,而在 为局部紧豪斯多夫的特例,等价于 能延拓成单点紧化 上的连续函数 ,使 

消失于无穷远的连续复值函数之集合 C*代数。反之,可交换的C*代数必同构于某个局部紧豪斯多夫空间  ,其中 同胚意义下唯一。以范畴言之,局部紧空间范畴与交换C*代数范畴对偶英语Duality (category theory),其证法用到盖尔范德表示英语Gelfand representation[7]。前一范畴中, 加入无穷远点,变成 之事,在后一范畴对应向 添加单位元

局部紧群

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拓扑群论中,局部紧是重要概念,因为每个豪斯多夫局部紧群英语locally compact group 都自然配备哈尔测度,因而在 上定义可测函数积分实数轴 勒贝格测度为其特例。

拓扑交换群英语Topological abelian group 庞特里亚金对偶为局部紧,当且仅当 是局部紧。又以范畴言之,庞特里亚金对偶是局部紧交换群范畴的自对偶英语Duality (category theory)。研究局部紧交换群,为调和分析奠下基础。此领域现也研究非交换的局部紧群。

参见

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参考文献

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  1. ^ Folland, Gerald B. Real Analysis: Modern Techniques and Their Applications [实分析:现代技巧及应用] 2nd. John Wiley & Sons. 1999 [2021-08-21]. ISBN 978-0-471-31716-6. (原始内容存档于2021-05-07) (英语). 
  2. ^ Lowen-Colebunders, Eva. On the convergence of closed and compact sets [论闭集及紧集的收敛] (英语). 
  3. ^ Bice, Tristan; Kubiś, Wiesław. Wallman Duality for Semilattice Subbases [半格准基的沃尔曼对偶]. 2020. arXiv:2002.05943  [math.GN]. 
  4. ^ Steen, Lynn Arthur; Seebach, J. Arthur Jr. Counterexamples in Topology [拓扑学的反例] Dover reprint of 1978. Berlin, New York: Springer-Verlag. 1995 [1978]. ISBN 978-0-486-68735-3. MR 0507446. 
  5. ^ Bourbaki, Nicolas. General Topology, Part I [一般拓扑学,第一部] reprint of the 1966. Berlin: Springer-Verlag. 1989. ISBN 3-540-19374-X. 
  6. ^ Hjalmar Ekdal Topology [亚尔马·埃克达尔拓扑]. π-base. [2021-08-21]. (原始内容存档于2021-08-21) (英语). 
  7. ^ nLab盖尔范德表示条目