点列收敛的概念本质上来源于拓扑,因此谈到收敛一定要想着对应什么样的拓扑。
定义1.1 对任意的拓扑空间 ,称序列
收敛到
,若满足对
的任何一个领域
,存在一个正整数
,使得当
时,恒有
。
对于无拓扑结构的非空集合 ,我们可以通过它到拓扑空间的映射来赋予
上的拓扑,具体而言:
设有映射族 ,其中
为任意指标集,
为
到
的映射,
为拓扑空间,将集族
作为准基(子基)生成的拓扑
称作
上由
生成的拓扑。
在拓扑空间 中,点
处的领域基具有形式
其中
为
的领域,
为
的有限子集。
特别地,若取 恒为
,即实数集和其上的欧式拓扑,领域基具有形式
,其中
,
为
的有限子集。
定理1.2 在
中收敛到
当且仅当对任意的
,
在
中收敛到
特别地,考虑赋范线性空间 ,若取
(
的对偶空间),则生成的拓扑称为
上的弱拓扑。
上面所说的收敛都是点列的收敛,下面考虑映射列的收敛。
其实可以把任意一个映射 看做乘积空间
上的一个点,其中
为拓扑空间。映射列的收敛就转换成
中点列的收敛性。具体而言,若将
看做
到
的映射族,即取
,记生成的拓扑为
称作点态收敛拓扑,则
在
中收敛到
当且仅当对任意的
,
(看做
)收敛到
( 看做
),这就是我们常说点态收敛。
remark:上述生成的拓扑 与
上的积拓扑是一致的。
一致收敛的概念就对应着一致拓扑
定义1.3 设 是一个度量空间,
是
上相应于
的标准有界度量.若
与
是笛卡尔积
的两个点,令
称其为
相应于
的度量
的一致度量。由该度量诱导的拓扑为
上的一致拓扑。
回顾一致收敛的定义:设 是集合
到度量空间
的映射列,称
一致收敛于
,若对任意的
,存在正整数
,当
时,对于任意的
,有
。
当然我们有 收敛到
在
下当且仅当
一致收敛于
定理1.4 如果空间 完备,则
完备。
现在我们把指标集 取作拓扑空间
,这并不会影响上面的所有讨论。但我们考虑所有映射
构成的集合时(即
),
上的拓扑是无所谓的。但我们若考虑所有连续映射
构成的集合
时,就与
上的拓扑有关了。
定理1.5 设 是一个拓扑空间,
是一个度量空间,则连续映射全体
和有界映射全体
在一致度量
下都是
的闭集。因此若
完备,则这两个空间都完备。
我们常常在 上定义另一种度量:
,称作上确界度量。上确界度量和一致度量有一些简单的联系。事实上,若
,则有
,若
是紧致的,那么
,此时上确界度量就可以定义在
上。
[Ascoli定理,经典形式]设 是一个紧致空间,
表示关于平方度量或欧式度量的欧式空间,赋予
相应的一致拓扑,那么
的子空间
有紧致闭包当且仅当
关于
是等度连续和点态有界的。
现在我们已经在 上赋予了点态收敛拓扑和一致拓扑,下面引入第三类常见的拓扑。
我们知道连续函数列在一致拓扑下的极限是连续的,然而在点态收敛拓扑下未必有连续的极限。那么是否存在介于这两个拓扑之间,且仍能保证连续函数的收敛序列有连续的极限呢?答案是肯定的,这个拓扑的构造如下
定义 设 是一个度量空间,
是一个拓扑空间。给定
的一个元素
,
的一个紧致子空间
以及一个数
,令
。容易验证集合族
满足构成拓扑基的条件,其生成的拓扑称为紧致收敛拓扑。
关于三种拓扑的关系有如下包含关系:(一致拓扑) (紧致收敛拓扑)
(点态收敛拓扑)
最后给出Ascoli定理的一般形式:
[Ascoli定理]设 是一个度量空间,
是一个拓扑空间,赋予
紧致收敛拓扑,设
是
的一个子集。
- 若
关于
是等度连续的,并且集合
对于每个
有紧致闭包,则
包含于
的一个紧致子空间中。
- 若
是局部紧致的Hausdorff空间,则逆命题也成立。