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第3章 子空间（有限）,积空间，商空间

在这一章中我们介绍通过已知的拓扑空间构造新的拓扑空间的三种惯用的办法．为了避免过早涉及某些逻辑上的难点，在§3.2中我们只讨论有限个拓扑空间的积空间，而将一般情形的研究留待以后去作．

§3.1 子空间

本节重点：掌握度量子空间、拓扑空间子空间的概念，子空间的拓扑与大空间拓扑之间的关系以及子空间的闭集、邻域、基、导集、闭包与大空间相应子集之间的关系及表示法．

讨论拓扑空间的子空间目的在于对于拓扑空间中的一个给定的子集，按某种“自然的方式”赋予它一个拓扑使之成为一个拓扑空间，以便将它作为一个独立的对象进行考察．所谓“自然的方式”应当是什么样的方式？为回答这个问题，我们还是先从度量空间做起，以便得到必要的启发．

考虑一个度量空间和它的一个子集．欲将这个子集看作一个度量空间，必须要为它的每一对点规定距离．由于这个子集中的每一对点也是度量空间中的一对点，因而把它们作为子集中的点的距离就规定为它们作为度量空间中的点的距离当然是十分自然的．我们把上述想法归纳成定义：

定义3.1.1 设（X，ρ）是一个度量空间，Y是X的一个子集.因此，Y×YX×X．显然

：Y×Y→R是Y的一个度量（请自行验证）．我们称Y的度量

，

是由X的度量ρ诱导出来的度量.度量空间（Y，ρ）称为度量空间（X，ρ）的一个度量子空间．

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我们常说度量空间Y是度量空间X的一个度量子空间，意思就是指Y是X的一个子集，并且Y的度量是由X的度量诱导出来的．我们还常将一个度量空间的任何一个子集自动地认作一个度量子空间而不另行说明．例如我们经常讨论的：实数空间R中的各种区间（a，b），[a，b]，（a，b]等；n＋1维欧氏空间中的

n维单位球面:

n维单位开、闭球体:

以及n维单位开、闭方体 和等等，并且它们也自然被认作是拓扑空

间（考虑相应的度量诱导出来的拓扑）．

定理3.1.1 设Y是度量空间X的一个度量子空间．则Y的子集U是Y中的一个开集当且仅当存在一个X中的开集V使得U＝V∩Y．

证明 由于现在涉及两个度量空间，我们时时要小心可能产生的概念混淆．对于x∈X（y∈Y），临时记度量空间X（Y）中以x（y）为中心以ε＞0为半径的球形邻域为

，

.

首先指出：有=∩Y.

这是因为z∈X属于当且仅当z∈Y且(z,y)<ε.

现在设U∈，由于Y的所有球形邻域构成的族是Y的拓扑的一个基，U可

以表示为Y中的一族球形邻域，设为A的并．于是

2

设，∴U=V∩Y

另一方面，设U＝V∩Y，其中V∈y∈V．

,有

．如果y∈U，则有y∈Y和

按照定理3.1.1的启示，我们来逐步完成本节开始时所提出的任务． 定义3.1.2 设A是一个集族，Y是一个集合．集族{A∩Y|A∈A}称为集族A在集合Y上的限制，记作

引理3.1.2 设Y是拓扑空间（X，T)的一个子集．则集族 拓扑．

是Y的一个

证明 我们验证满足拓扑定义中的三个条件：

（1）由于X∈T和Y=X∩Y，所以Y∈；由于∈T,=∩Y,所以∈

（2）如果A，B∈，即

于是

（3）如果是集族的一个子集族，即对于每一个A∈，

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