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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 (X,\	au) ,称序列 \\{x_n\\}\\subset X 收敛x \\in X ,若满足对 x 的任何一个领域 U ,存在一个正整数 N ,使得当 n>N 时,恒有 x_n\\in U

对于无拓扑结构的非空集合 X ,我们可以通过它到拓扑空间的映射来赋予 X 上的拓扑,具体而言:

设有映射族 \\{f_{\\lambda}\\}_{\\lambda\\in \\Lambda} ,其中 \\Lambda 为任意指标集, f_{\\lambda}XY_{\\lambda} 的映射, (Y_{\\lambda},\	au_{\\lambda}) 为拓扑空间,将集族 \\{f_{\\lambda}^{-1}(\\mathscr{O}_{\\lambda})|\\mathscr{O}_{\\lambda}\\in\	au_{\\lambda}\\} 作为准基(子基)生成的拓扑 \	au 称作 X 上由 \\{f_{\\lambda}\\}_{\\lambda\\in \\Lambda} 生成的拓扑。

在拓扑空间 (X,\	au) 中,点 x 处的领域基具有形式 N_{\\mathscr{O}_1(x),\\cdots,\\mathscr{O}_n(x);f_1,\\cdots,f_n}(x)=\\{x'\\in X|f_k(x')\\in \\mathscr{O}_k(x),1\\leq k \\leq n\\} 其中 \\mathscr{O}_k(x)f_k(x) 的领域, f_1,\\cdots,f_n\\{f_{\\lambda}\\}_{\\lambda\\in \\Lambda} 的有限子集。

特别地,若取 (Y_{\\lambda},\	au_{\\lambda}) 恒为 (R,\	au_R) ,即实数集和其上的欧式拓扑,领域基具有形式 N_{\\epsilon;f_1,\\cdots,f_n}(x)=\\{x'\\in X \\big|  | f_k(x')-f_k(x)|<\\epsilon,1\\leq k \\leq n\\} ,其中 \\epsilon >0 ,f_1,\\cdots,f_n\\{f_{\\lambda}\\}_{\\lambda\\in \\Lambda} 的有限子集。

定理1.2 \\{x_n\\}(X,\	au) 中收敛到 x 当且仅当对任意的 f_{\\lambda}f_{\\lambda}(x_n)(Y_{\\lambda},\	au_{\\lambda}) 中收敛到f_{\\lambda}(x)

特别地,考虑赋范线性空间 X ,若取 \\{f_{\\lambda}\\}_{\\lambda\\in \\Lambda}=X^* ( X 的对偶空间),则生成的拓扑称为 X 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 g:X\\rightarrow Y 看做乘积空间 Y^X 上的一个点,其中 (Y,\	au _Y) 为拓扑空间。映射列的收敛就转换成 Y^X 中点列的收敛性。具体而言,若将 X 看做 Y^XY 的映射族,即取 \\{f_{\\lambda}\\}_{\\lambda\\in \\Lambda}=X ,记生成的拓扑为 \	au_{Y^X} 称作点态收敛拓扑,则\\{g_n\\}(Y^X,\	au_{Y^X}) 中收敛到 g 当且仅当对任意的 xg_n(x) (看做 x(g_n) )收敛到 g(x) ( 看做x(g) ),这就是我们常说点态收敛。

remark:上述生成的拓扑 \	au_{Y^X}Y^X 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 (Y,d) 是一个度量空间, \\bar{d}(a,b)=min\\{d(a,b),1\\}Y 上相应于 d 的标准有界度量.若 x=(x_{\\alpha})_{\\alpha \\in J}y=(y_{\\alpha})_{\\alpha \\in J} 是笛卡尔积 Y^J 的两个点,令 \\bar{\\rho}(x,y)=sup\\{\\bar{d}(x_{\\alpha},y_{\\alpha}) | \\alpha \\in J\\} 称其为 Y^J 相应于 Y 的度量 d一致度量。由该度量诱导的拓扑为 Y^J 上的一致拓扑

回顾一致收敛的定义:设 \\{f_n\\} 是集合 X 到度量空间 (Y,d) 的映射列,称 \\{f_n\\} 一致收敛于 f:X\\rightarrow Y ,若对任意的 \\epsilon>0 ,存在正整数 N ,当 n>N 时,对于任意的 x\\in X ,有 d(f_n(x),f(x))<\\epsilon

当然我们有 \\{f_n\\} 收敛到 f(Y^J,\\bar{\\rho})下当且仅当\\{f_n\\} 一致收敛于 f

定理1.4 如果空间 (Y,d) 完备,则 (Y^J,\\bar{\\rho})完备。

现在我们把指标集 J 取作拓扑空间 X ,这并不会影响上面的所有讨论。但我们考虑所有映射 f:X \\rightarrow Y 构成的集合时(即 Y^X ), X 上的拓扑是无所谓的。但我们若考虑所有连续映射f:X \\rightarrow Y 构成的集合 C(X,Y)\\subset Y^X 时,就与 X 上的拓扑有关了。

定理1.5 X 是一个拓扑空间, (Y,d) 是一个度量空间,则连续映射全体 C(X,Y) 和有界映射全体 B(X,Y) 在一致度量 \\bar{\\rho} 下都是 Y^X 的闭集。因此若(Y,d) 完备,则这两个空间都完备。

我们常常在 B(X,Y) 上定义另一种度量: \\rho(f,g)=sup\\{d(f(x),g(x))|x\\in X\\} ,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 f,g \\in B(X,Y) ,则有 \\bar{\\rho}(f,g)=min\\{\\rho(f,g),1\\} ,若 X 是紧致的,那么 C(X,Y)\\subset B(X,Y) ,此时上确界度量就可以定义在 C(X,Y) 上。

[Ascoli定理,经典形式]X 是一个紧致空间, (\\mathbb{R}^n,d) 表示关于平方度量或欧式度量的欧式空间,赋予 C(X,\\mathbb{R}^n) 相应的一致拓扑,那么 C(X,\\mathbb{R}^n) 的子空间 \\mathscr{F} 有紧致闭包当且仅当 \\mathscr{F} 关于 d 是等度连续和点态有界的。

现在我们已经在 Y^X 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 (Y,d) 是一个度量空间, X 是一个拓扑空间。给定 Y^X 的一个元素 fX 的一个紧致子空间 C 以及一个数 \\epsilon>0 ,令 B_C(f,\\epsilon)=\\{g\\in Y^X|sup\\{d(f(x),g(x))<\\epsilon\\}\\} 。容易验证集合族 \\{B_C(f,\\epsilon)|f\\in Y^X,C为X的紧致子空间,\\epsilon>0\\} 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) \\subset (紧致收敛拓扑) \\subset (点态收敛拓扑)

最后给出Ascoli定理的一般形式:

[Ascoli定理](Y,d) 是一个度量空间, X 是一个拓扑空间,赋予 C(X,Y) 紧致收敛拓扑,设 \\mathscr{F}C(X,Y) 的一个子集。

  1. \\mathscr{F} 关于 d 是等度连续的,并且集合 \\mathscr{F}_a=\\{f(a)|f\\in \\mathscr{F}\\} 对于每个 a\\in X 有紧致闭包,则 \\mathscr{F} 包含于 C(X,Y) 的一个紧致子空间中。
  2. X 是局部紧致的Hausdorff空间,则逆命题也成立。

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