2024-01-14 拓扑学的集合论实质及其与可测空间的类比

直观被公理化后,公理化承载的信息往往比最初的直观更多,同时公理化后的体系在逻辑上不依赖直观,直观只是人类发现这个体系的媒介,而并不必然地参与到体系中去。

无论课本用多么直观的描述如图形形变、欧拉与七座桥等问题来引入,拓扑空间的数学实现归根结底就是在集合X的子集上指定一系列结构集(开集),满足3条公理:

1)空集与全集是结构集

2)结构集的任意并是结构集

3)结构集的有限交是结构集

无论如何用集合大小、面积体积来引入测度,可测空间的数学实现归根结底是在集合X的子集上指定一系列结构集(可测集),满足3条公理:

1)全集是结构集

2)结构集的补运算是结构集

3)结构集的可列并是结构集

可见拓扑空间和可测空间的定义中,各自的3条公理均只断言了结构集中空集与全集的存在,或是集合运算下的封闭,这两种性质。

我们称,在某些 集合运算封闭性特殊集合存在性 两种公理约束下,在其幂集上挑选出一系列结构集的空间是结构集空间(X,\tau)拓扑空间和可测空间都是结构集空间。把拓扑空间公理中任意并改成有限并、可列并,或是同时把有限交改成可数交、任意交所得到的空间,以及把σ代数的要求中可列并改为任意并、有限并得到的空间,都是结构集空间。

而注意到纯集合论的事实:

f^{-1}(\bigcup A_i)=\bigcup f^{-1}(A_i),f^{-1}(A^{c})=(f^{-1}(A))^{c}

即原像操作与集合运算完美交换,于是我们可以对这类结构集空间定义态射:

(X,\tau) \rightarrow (Y,\delta)是结构集空间的态射,当且仅当f^{-1}(\delta)\subseteq \tau.

可以验证态射的复合是态射,从而同一类型的结构集及态射构成范畴

类比同胚,我们可以定义结构集意义下的同构,即一双射f,与其逆映射均为态射。(特别地,可测映射f若是双射,且f^-1是可测映射,则称f是可测空间间的同___?这里该当有一雅字,但我们先广泛地叫同构。)

结构集空间享有拓扑空间的一切泛性质,子空间拓扑→子空间结构集,乘积拓扑→乘积结构集,商拓扑→商结构集...

以上只是抽象,我们要问问题,解决问题。

拓扑空间分类是大问题,可测空间分类我们同样可以问,一般的结构集空间如何在同构意义下分类,我们自然也可以问。拓扑空间的同胚分类被证明不如同伦分类有价值,同伦的构建归根结底是考虑X→Y的态射f1,f2能否被X×I→Y在0和1处连接。容许乘积的结构集空间自然也可以定义这种“同伦”,即我们要求X×I→Y是态射,且在0处取f1,在1处取f2。

拓扑空间中我们建立不变量来处理分类问题,首先是基本群,或者说同伦群,其方法论是考虑C→X的态射来研究X,其中C是某完全已知的空间,我称为常量空间或常空间,其次是同调群,考虑C_n→X的态射自由生成的Abel群,同时要求一系列常空间C_n本身有某种在边缘算子下的过渡性。我们完全不要求态射必须是连续映射,而只要求是一般的结构集映射,同时完全不考虑其几何意义,我们完全回归集合论层面。

可测空间中我们考虑所有结构集组成的集合上的特殊函数:测度,并利用测度定义积分,但是可惜的是,可测空间的理论完全服务于概率或分析,人们并没有倾向于去问测度和积分给出多少可测空间本身的不变量。

但是,作为两种结构集空间的例子,其学科体系各自的发展导致了不同的问题和方法,现在我要问,能不能融合?即:能不能在拓扑空间上引入“所有开集的集合上的函数”并构建积分?(这显然因为开集容许任意并而很难办到,但如果我们1在只容许可数并的伪拓扑空间上做?2把函数的取值选在更为牛一点的实数域上,比如可以公然存在实无穷小量?)能不能在可测空间上引入同伦及代数化手段,导致可测空间上的不变量与可测空间分类问题?另,微分拓扑,微分结构本质依赖于什么结构集或是更多的结构?


拓扑空间和可测空间已有的研究方法和问题,能在多大程度上推广到一般的结构集空间上去?拓扑空间的公理为什么代表了图形形变的直观?改以下又怎么不符合这种直观了?拓扑空间研究中重要的概念:同伦,同调,覆盖空间,纤维,多大程度上能用于一般的结构集空间?可测空间和拓扑空间的方法能否互鉴?细细道来。

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