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。