闭集是 拓扑空间中补集为开集的子集。在度量空间中,这意味着:只要集合内的点组成的序列收敛于所在空间中的某个点,该极限就也属于这个集合。闭性是拓扑学和数学分析中的基本概念,但它取决于拓扑和所在空间,而不只是子集中的元素。(pi.math.cornell.edu)
定义与基本性质
设 是拓扑为 的空间。子集 为闭集,当且仅当
因此,开集和闭集通过互补的条件描述同一个拓扑结构。空集和 本身都是闭集。闭集的任意交与有限并仍是闭集:
这些性质可由开集的相应性质结合德摩根定律得出。反过来,对满足这些闭集性质的集合族取补集,就能确定一个拓扑。(pi.math.cornell.edu)
闭集的无限并不一定是闭集。在实数的通常拓扑下,
这个集合不包含作为其极限端点的 。“闭”并不等同于“非开”:有些集合既开又闭,也有些集合既非开也非闭。例如, 在 中既不是开集,也不是闭集。(jirilebl.github.io)
闭包与邻域
子集 的闭包记作 ,是所有包含 的闭子集的交。因此,它是包含 的最小闭集,并且
一个点属于 ,当且仅当该点的每个开邻域都与 相交。因此, 为闭集,当且仅当 外的每个点都有一个与 不相交的开邻域。(jirka.org)
在度量空间 中,最后这个条件可以用开球表示:对每个 ,都存在 ,使得
这一条件通过能否在局部将集合外的每个点与集合分离来刻画闭性,并不要求所有外部点与集合之间都有统一的分离距离。(jirka.org)
序列与例子
在度量空间中, 为闭集,当且仅当 中每个在 中收敛的序列 的极限都属于 。其中较不显然的方向可如下证明:若 ,则选取 ,使得 。于是 ,根据假设的序列条件,必有 。在任意拓扑空间中,闭集仍然包含所有这类极限,但反过来未必成立。(webpages.ciencias.ulisboa.pt)
在实数的通常拓扑下,闭区间 、形如 的射线,以及整数集都是闭集。闭性并不意味着有界: 和 都是无界的。集合
不是闭集,因为它不包含 ;而将 加入其中后,所得集合就是闭集。有理数集在 中不是闭集:它的闭包是整个 ,因此它是一个稠密子集。(jirilebl.github.io)
对所在空间的依赖
若 配备子空间拓扑,则子集 在 中为闭集,当且仅当存在 中的闭子集 ,使得
因此, 在 中不是闭集,但在 中是闭集,因为它等于 。每个空间作为自身的子集都是闭集。(jirilebl.github.io)
改变拓扑也会改变闭性。在离散度量诱导的拓扑中,每个子集都既开又闭。这些例子说明,在讨论不熟悉的空间时,明确所采用的拓扑至关重要。(jirka.org)
连续性、紧性与完备性
函数 是连续函数,当且仅当每个闭子集 的原像 在 中都是闭集。闭集的像不一定是闭集:例如,连续的指数函数将闭集 映射到 中的非闭子集 。(webpages.ciencias.ulisboa.pt)
闭性与紧性是不同的概念。紧空间的闭子集是紧的,而豪斯多夫空间的紧子集是闭的。在欧几里得空间 中,海涅—博雷尔定理指出,紧子集恰好就是闭且有界的子集。这种等价关系在一般度量空间中不成立。(pi.math.cornell.edu)
完备度量空间的闭子集在继承的度量下是完备的:其中每个柯西序列都在所在空间中收敛,而闭性保证其极限仍在该子集内。反过来,完备的度量子空间在其所在的度量空间中是闭的。如果所在空间不完备,仅有闭性并不能保证完备性。(jirka.org)