在拓扑学中,拓扑空间的基是一族开集,其中的集合通过取并可以得到该空间的每个开集。这族集合的成员称为基元素或基本开集。基能够描述一个拓扑,而无需逐一列出它的所有开集,同时还为判断开性和连续性提供了局部判据。(leanprover-community.github.io)
定义与基公理
设 是一个拓扑空间。如果每个 都是 中若干成员的并,则称集合族 是 的一个基。等价地,只要 且 是开集,就存在 ,使得
这个条件说明,每个点的任意开邻域中,都能找到包含该点的基本开集。(math.toronto.edu)
也可以先指定一个基,再由它确定拓扑。由 的一族子集通过取并生成拓扑,当且仅当这族集合满足以下两个条件:
覆盖性: 每个 都属于某个 。
交集的局部细化性: 若 ,其中 ,则存在 ,满足
交集本身不必是基元素,只需是若干基元素的并。(math.toronto.edu)
生成的拓扑为
覆盖性保证 是开集。空集是空子族的并。任意并仍然是基元素的并,而细化条件保证这族开集对有限交封闭。这些性质验证了拓扑公理。(pi.math.cornell.edu)
例子
在实数直线 上,所有开区间 构成通常拓扑的一个基。端点为有理数的开区间也足够构成一个基:开区间中的每个点,都位于一个包含于原区间、且端点为有理数的更小开区间中。因此,不同的基可以生成完全相同的拓扑。(math.mit.edu)
构成一个基。在欧几里得空间 中,开矩形盒构成同一拓扑的另一个基。例如,在平面上,开圆盘与边平行于坐标轴的开正方形生成相同的拓扑,因为对于其中任意一种图形内的任意一点,都能找到包含该点、且完全位于该图形内的另一种图形。(pi.math.cornell.edu)
对于离散拓扑,所有单点集构成一个基:每个子集都是单点集的并。对于非空集合 上的平凡拓扑,集合族 是一个基。(pi.math.cornell.edu)
基的比较与子基
设 和 在同一个集合上分别生成拓扑 和 。那么, 比 更细,即 ,当且仅当每个 中的元素所含的每一点,都属于某个包含于该元素的 中的元素。如果这个细化条件在两个方向上都成立,则两个拓扑相同。(math.toronto.edu)
子基是一族集合,其有限交构成一个基。因此,由子基生成拓扑通常需要两步操作:先取有限交,再取任意并。约定空交等于 时,任意一族子集都能以这种方式生成一个拓扑。Mathlib 中拓扑基的形式化定义也体现了这一区别:对于基,仅取并就必须足够。(math.toronto.edu)
局部基与可数性
点 处的局部基是 的一族邻域,使得 的每个邻域都包含这族集合中的某个成员。与整个拓扑的基不同,局部基只涉及一个点。给定一个全局基 ,集合族
就是 处的一个局部基。(math.mit.edu)
第一可数空间在每一点处都有可数局部基。第二可数空间则具有一个为可数集的全局基。第二可数性蕴含第一可数性,但反之不成立:不可数的离散空间在每一点处都有仅由该点的单点集构成的局部基,然而它的每个全局基都必须包含所有单点集。(math.mit.edu)
第二可数空间是可分空间,也是林德勒夫空间。从每个非空基本开集中选取一个点,就得到一个可数稠密集。对于任意开覆盖,考虑所有包含于某个覆盖成员的基本开集,并为每个这样的基本开集选取一个包含它的覆盖成员,就得到一个可数子覆盖。(math.ucla.edu)
构造与应用
若 ,则集合族
是 上子空间拓扑的一个基。若 和 分别是 和 的基,则笛卡尔积 构成 上积拓扑的一个基。在任意多个空间的积中,基本开集只对有限多个坐标施加限制,其余坐标均不受限制。(pi.math.cornell.edu)
要检验映射 是否为连续函数,只需验证:对于 的某个基中的每个成员 ,原像 都是开集。因为 中的每个开集都是这类成员的并,而取原像的运算保持并。因此,利用基可以将连续性检验缩减为对一族指定开集的检验。(leanprover-community.github.io)