概率论原理精解【9】

集类

• C是一个集类（以G的某些子集为元素的集合称为G的集类）。
• $A_i\in C,{\cap }_{i=1}^n{A}_i\in C,此为有限交封闭C所得集类C_{\cap f}$
• $A_n\in C,n\ge 1,{\cap }_n{A}_n\in C,此为可列交封闭C所得集类C_{\delta }$
• $C_{\Sigma f}称为有限不交并封闭C所得集类$
• ${\cup }_{i=1}^n{A}_i\in C,此为有限并封闭C所得集类C_{\cup f}$
• $C_{\sigma }为可列并封闭C所得集类$
• $C_{\Sigma \sigma }为可列不交并封闭C所得集类$
• $$\begin{gathered} 1.如果C对有限交封闭，称为\pi 类 \\ 2.如果\varnothing \in C，且有A,B\in C=>A\cap B\in C,A\backslash B\in C_{\Sigma f}，C称为半环。 \\ 3.C是半环，且G\in C,C是半代数。 \\ 4.C对有限交和取余集运算封闭，且G\in C，\varnothing \in C，C称为代数或域。 \\ 5.C对可列交和取余集运算封闭，且G\in C，\varnothing \in C，C称为\sigma 代数 \\ 6.C对单调序列极限封闭，C称为单调类 \\ 7.C称为\lambda 类，则： \\ (1)G\in C \\ (2)A,B\in C,B\subset A=>A\backslash B\in C \\ (3)A_n\in C,n\ge 1,A_n\uparrow A=>A\in C \end{gathered}$$
• $$\begin{gathered} 对G上的任一非空集类F,存在包含F的最小\sigma 代数、\lambda 类和单调类， \\ 记为\sigma (F)、\lambda (F)和m(F)，m(F)\subset \lambda (F)\subset \sigma (F) \end{gathered}$$

$$\begin{gathered} C为一集类， \\ 1.若C为代数，则m(C)=\sigma (C) \\ 2.若C为一\pi 类，则\lambda (C)=\sigma (C) \end{gathered}$$

• $$\begin{gathered} 设C和F为两个集类，且C\subset F \\ 1.若C为代数，F为单调类，则\sigma (C)\subset F \\ 2.若C为\pi 类，且F为\lambda 类，则\sigma (C)\subset F \end{gathered}$$

• $$\begin{gathered} C为一集类， \\ 1.若要m(C)=\sigma (C)，则必须且只需 \\ A\in C=>A^c\in m(C)，A,B\in C=>A\cap B\in m(C) \\ 2.若要\lambda (C)=\sigma (C)，必须且只需 \\ A,B\in C=>A\cap B\in \lambda (C) \end{gathered}$$

• $$\begin{gathered} C为一集类，若它满足下列条件之一，则有m(C)=\sigma (C) \\ 1.A,B\in C=>A\cap B\in C，A\in C=>A^c\in C_{\delta } \\ 2.A,B\in C=>A\cup B\in C,A\in C=>A^c\in C_{\delta } \end{gathered}$$

拓扑空间

基

• $设X为非空集合，\beta \subset P(X)$
  1. 若 β 是 X 上某拓扑的基，则 ( 1 ) ∪ B ∈ β B = X ( 2 ) 若 B 1 、 B 2 ∈ β 且 x ∈ B 1 ∩ B 2 ，则 ∃ B x ∈ β , s . t . x ∈ β ， x ∈ B x ⊂ B 1 ∩ B 2 2. 若 β 满足 ( 1 ) 和 ( 2 ) ，则存在唯一的拓扑 τ = { G ⊂ X : ∃ β G ⊂ β , s . t . G = ∪ B ∈ β G B } 以 β 为基，并称这个拓扑是以 β 为基生成的拓扑。 1.若\beta 是X上某拓扑的基，则 \\(1)\cup_{B \in \beta}B=X \\(2)若B_1、B_2 \in \beta且x \in B_1\cap B_2，则\exists B_x \in \beta,s.t. x \in \beta，x \in B_x \subset B_1\cap B_2 \\2.若\beta满足(1)和(2)，则存在唯一的拓扑 \\\tau=\{G \subset X:\exists \beta_G \subset \beta ,s.t.G=\cup_{B\in \beta_G}B\} \\以\beta为基，并称这个拓扑是以\beta为基生成的拓扑。 1.若β是X上某拓扑的基，则(1)∪B∈β​B=X(2)若B1​、B2​∈β且x∈B1​∩B2​，则∃Bx​∈β,s.t.x∈β，x∈Bx​⊂B1​∩B2​2.若β满足(1)和(2)，则存在唯一的拓扑τ={G⊂X:∃βG​⊂β,s.t.G=∪B∈βG​​B}以β为基，并称这个拓扑是以β为基生成的拓扑。
• $设\beta 是拓扑空间X的一个基，若\beta 是可数的，则称X具有可数基$
• 例题

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拓扑空间是数学中的一个重要概念，它允许我们在不考虑距离和角度的具体度量下，研究空间的几何性质和变换。在拓扑空间中，“基”通常指的是一组特定的开集，这些开集的并集能够生成整个空间上的拓扑结构。以下是一个关于拓扑空间基的例题：

题目：设$X$是一个集合，$X$上的一组子集$\mathcal{B}$满足以下条件：

1. $\mathcal{B}$中的任意两个元素的交集可以表示为$\mathcal{B}$中某些元素的并集。
2. $X$可以表示为$\mathcal{B}$中某些元素的并集。

证明：由$\mathcal{B}$生成的拓扑空间$(X,\mathcal{T})$中，$\mathcal{B}$是$\mathcal{T}$的一个基。

证明：

1. 定义由$\mathcal{B}$生成的拓扑：

首先，我们定义由$\mathcal{B}$生成的拓扑$\mathcal{T}$。设$\mathcal{T}$是包含$\mathcal{B}$的最小集合，且满足以下条件：

• $\varnothing \in \mathcal{T}$（空集是任何拓扑的一部分）。
• 如果$U_1,U_2,\dots \in \mathcal{T}$，则${\bigcup }_{i=1}^{\infty }{U}_i\in \mathcal{T}$（任意多个开集的并集是开集）。
• 如果$U_1,U_2\in \mathcal{T}$，则$U_1\cap U_2\in \mathcal{T}$（有限多个开集的交集是开集）。

由于$\mathcal{B}$满足题目中的条件，且我们要求$\mathcal{T}$是最小的这样的集合，因此可以通过不断添加由$\mathcal{B}$中元素通过并集和有限交集运算得到的集合来构造$\mathcal{T}$。

2. 证明$\mathcal{B}$是$\mathcal{T}$的基：

   根据拓扑空间基的定义，一个集合$\mathcal{B}$是拓扑空间$(X,\mathcal{T})$的基，如果对于$\mathcal{T}$中的任意元素$U$（即任意开集），都存在$\mathcal{B}$中的元素$B_1,B_2,\dots$（可能有无穷多个），使得$U={\bigcup }_{i=1}^{\infty }{B}_i$。

   现在，对于$\mathcal{T}$中的任意元素$U$，由于$U\in \mathcal{T}$，且$\mathcal{T}$是由$\mathcal{B}$通过并集和有限交集运算得到的，因此我们可以使用归纳法（或超限归纳法，如果涉及到无穷多个集合）来证明$U$可以由$\mathcal{B}$中的元素通过并集得到。具体来说，如果$U$本身就是$\mathcal{B}$中的元素，则结论显然成立。如果$U$不是$\mathcal{B}$中的元素，则$U$必然是通过并集和有限交集运算从$\mathcal{B}$中的元素得到的。由于并集和有限交集运算可以相互转化（即，可以通过并集和补集运算来表示有限交集），我们可以最终将$U$表示为$\mathcal{B}$中某些元素的并集。

注意：这里的证明依赖于$\mathcal{B}$满足题目中的条件，特别是第一个条件（任意两个元素的交集可以表示为某些元素的并集），这保证了在通过并集和有限交集运算构造$\mathcal{T}$时，不会超出由$\mathcal{B}$生成的集合范围。

3. 结论：

   因此，我们证明了由$\mathcal{B}$生成的拓扑空间$(X,\mathcal{T})$中，$\mathcal{B}$是$\mathcal{T}$的一个基。

注意

• 这个例题是一个较为抽象的证明题，旨在理解拓扑空间基的概念和性质。
• 在实际应用中，拓扑空间的基往往是具体给出的，例如实数集上的开区间集合是实数集上标准拓扑的一个基。
• 拓扑空间的基不是唯一的，但不同的基会生成相同的拓扑结构。

• 几个 拓扑空间基的例子

由文心一言自动生成

• 成为拓扑空间基的具体条件

以下内容由文心一言自动生成
成为拓扑空间基的条件主要基于拓扑基的定义和性质。以下是成为拓扑空间基的具体条件：

1. 覆盖性

• 条件描述：基中的元素（开集）的并集必须等于整个拓扑空间。这确保了拓扑空间中的每一个点都至少被一个基元素所覆盖。
• 数学表达：设$\mathcal{B}$是拓扑空间$X$的一个子集族，如果${\bigcup }_{B\in \mathcal{B}}B=X$，则满足覆盖性条件。

2. 有限交性质

• 条件描述：对于基中任意两个元素的交集，如果这个交集非空，则必须存在基中的另一个元素，它是这两个元素交集的子集。这保证了通过基元素可以“精细地”构造出拓扑空间中的所有开集。
• 数学表达：对于任意$B_1,B_2\in \mathcal{B}$，如果$B_1\cap B_2\ne \varnothing$，则存在$B_3\in \mathcal{B}$，使得$B_3\subseteq B_1\cap B_2$。

3. 生成的拓扑

• 条件描述（隐含）：基中元素的并集可以生成拓扑空间中的所有开集。具体来说，对于拓扑空间$X$的任意子集$U$，如果$U$可以表示为基中某些元素的并集，则$U$是开集。
• 数学表达：设$\mathcal{T}$是由基$\mathcal{B}$生成的拓扑，则对于任意$U\subseteq X$，如果$U={\bigcup }_{i\in I}{B}_i$，其中$I$是某个指标集，且对于所有$i\in I$，有$B_i\in \mathcal{B}$，则$U\in \mathcal{T}$。

4. 唯一性（非必须，但重要性质）

• 条件描述：虽然不同的基可能生成相同的拓扑，但在某些情况下，我们可能希望找到一个“最小”或“最自然”的基。这通常与拓扑空间的特定性质或结构有关。
• 注意：唯一性不是成为拓扑空间基的必要条件，但它对于理解和描述拓扑空间的结构非常重要。

总结

成为拓扑空间基的条件主要包括覆盖性和有限交性质。这两个条件确保了基元素能够“有效地”覆盖整个拓扑空间，并通过并集和有限交的方式生成出所有的开集。同时，虽然唯一性不是必要条件，但寻找最小或最自然的基对于理解和应用拓扑空间具有重要意义。

• 更多例子及证明 在拓扑学中，拓扑空间的基（也称为拓扑基）是一个重要的概念，它用于描述拓扑空间中的开集族，这些开集族能够生成整个拓扑空间的所有开集。以下是几个具体的拓扑空间基的例子及其详细解释和证明。

• 拓扑空间基的充要条件
  成为拓扑空间基的充要条件可以归纳如下：

以下内容由文心一言自动生成
设$(X,\mathcal{T})$是一个拓扑空间，$\mathcal{B}\subseteq \mathcal{T}$是$\mathcal{T}$的一个子集族。则$\mathcal{B}$是$\mathcal{T}$的一组拓扑基的充要条件是：

1. 覆盖性：

   • ${\bigcup }_{B\in \mathcal{B}}B=X$。即，基中所有元素的并集等于整个拓扑空间。这保证了拓扑空间中的每一个点都至少被一个基元素所覆盖。

2. 有限交性质（或称为“局部有限性”的某种形式）：

   • 对于任意$x\in X$和任意包含$x$的开集$U\in \mathcal{T}$，存在$B\in \mathcal{B}$使得$x\in B\subseteq U$。这实际上是有限交性质在点集拓扑中的具体体现，它确保了通过基元素可以“精细地”构造出拓扑空间中的所有开集。更一般地，这也意味着对于任意两个基元素$B_1,B_2\in \mathcal{B}$（如果它们的交集非空），则对于交集中的任意点$x$，都存在另一个基元素$B\in \mathcal{B}$，使得$x\in B\subseteq B_1\cap B_2$。然而，这一表述更侧重于点的视角，而非直接描述交集的有限性。
     这个条件实际上隐含了有限交性质的一种形式，即对于任意两个基元素的交集（如果非空），在交集中的每一点附近都可以找到一个更小的基元素来“细化”这个交集。然而，这个条件更侧重于从点的视角来描述基的性质。

3. 生成性（隐含于定义中）：

   • 拓扑空间$\mathcal{T}$中的任意开集都可以表示为基$\mathcal{B}$中某些元素的并集。这是拓扑基定义的自然结果，也是它被称为“基”的原因。

证明思路（简要）

• 必要性：假设$\mathcal{B}$是$\mathcal{T}$的一组拓扑基。
  • 覆盖性：由拓扑基的定义直接得出。
  • 有限交性质：对于任意$x\in X$和任意开集$U\ni x$，由于$U$是开集，且$\mathcal{B}$是拓扑基，根据拓扑基的性质，存在$B\in \mathcal{B}$使得$x\in B\subseteq U$。
• 充分性：假设$\mathcal{B}$满足上述两个条件。
  • 验证生成性：对于任意开集$U\in \mathcal{T}$，由于$\mathcal{B}$满足覆盖性，对于任意$x\in U$，存在$B_x\in \mathcal{B}$使得$x\in B_x\subseteq U$。因此，$U={\bigcup }_{x\in U}{B}_x$，即$U$可以表示为基中元素的并集。

注意事项

• 有限交性质在这里的表述侧重于点的视角，而非直接描述交集的有限性。在更一般的上下文中，有限交性质可能涉及更复杂的交集结构。
• 生成性是拓扑基定义的自然结果，通常不需要单独作为充要条件的一部分来验证。然而，在理解拓扑基的概念时，它是非常重要的。
• 不同的教材或文献中，对拓扑基的定义和性质的表述可能略有不同，但核心思想是一致的。

• 几个拓扑空间基的证明例子

拓扑空间的基是拓扑学中一个核心概念，它用于描述拓扑空间中的开集族，这些开集族满足特定条件，能够生成整个拓扑空间的所有开集。以下是几个拓扑空间的基的例子及其详细解释证明：

例子1：度量空间的球形邻域基

描述：设$(X,\rho )$是度量空间，其中$\rho$是度量函数。则所有的球形邻域 { B ( x , r ) ∣ x ∈ X , r > 0 } \{B(x,r)|x\in X, r>0\} {B(x,r)∣x∈X,r>0}（其中$B(x,r)$表示以$x$为中心，$r$为半径的开球）构成$X$的一组拓扑基。

证明：

1. 条件一验证：对于任意$x\in X$，存在$r>0$（例如取$r=1$），使得$x\in B(x,r)$，即每个点都被至少一个基元素包含。
2. 条件二验证：对于任意两个基元素$B(x_1,r_1)$和$B(x_2,r_2)$，以及任意$y\in B(x_1,r_1)\cap B(x_2,r_2)$，存在某个$r>0$（例如取 r = min ⁡ { r 1 − d ( x 1 , y ) , r 2 − d ( x 2 , y ) } r=\min\{r_1-d(x_1,y), r_2-d(x_2,y)\} r=min{r1​−d(x1​,y),r2​−d(x2​,y)}，其中$d(x_1,y)$和$d(x_2,y)$分别表示$x_1$到$y$和$x_2$到$y$的距离，注意这里需要$r_1,r_2$足够大使得$r$为正数），使得$y\in B(y,r)\subset B(x_1,r_1)\cap B(x_2,r_2)$。这是因为度量空间中的开球具有嵌套性质。

例子2：离散空间的单点集基

描述：设$X$是任意集合，赋予离散拓扑，则所有单点集 { { x } ∣ x ∈ X } \{\{x\}|x\in X\} {{x}∣x∈X}构成$X$的一组拓扑基。

证明：

1. 条件一验证：对于任意$x\in X$，显然有 { x } ∈ { { x } ∣ x ∈ X } \{x\}\in \{\{x\}|x\in X\} {x}∈{{x}∣x∈X}，即每个点都被一个单点集包含。
2. 条件二验证：对于任意两个单点集 { x 1 } \{x_1\} {x1​}和 { x 2 } \{x_2\} {x2​}，如果它们有交集（即$x_1=x_2$），则它们的交集就是 { x 1 } \{x_1\} {x1​}（或 { x 2 } \{x_2\} {x2​}），此时可以取 { x 1 } \{x_1\} {x1​}（或 { x 2 } \{x_2\} {x2​}）作为满足条件的基元素。如果它们没有交集，则不需要考虑，因为条件二只要求对于有交集的基元素成立。

例子3：实数集的下限拓扑基

描述：设$\mathbb{R}$是实数集，令$\mathcal{B}=\{[a,b)|a,b\in \mathbb{R},a<b\}$，则$\mathcal{B}$是$\mathbb{R}$的一组拓扑基，它定义的拓扑称为下限拓扑。

证明：

1. 条件一验证：对于任意$x\in \mathbb{R}$，可以取$[x-1,x)\in \mathcal{B}$，使得$x\in [x-1,x)$。
2. 条件二验证：对于任意两个基元素$[a_1,b_1)$和$[a_2,b_2)$，以及任意$y\in [a_1,b_1)\cap [a_2,b_2)$，可以取 [ y , min ⁡ { b 1 , b 2 } ) ∈ B [y, \min\{b_1,b_2\})\in\mathcal{B} [y,min{b1​,b2​})∈B，使得 y ∈ [ y , min ⁡ { b 1 , b 2 } ) ⊂ [ a 1 , b 1 ) ∩ [ a 2 , b 2 ) y\in[y, \min\{b_1,b_2\})\subset[a_1,b_1)\cap[a_2,b_2) y∈[y,min{b1​,b2​})⊂[a1​,b1​)∩[a2​,b2​)。

总结

以上三个例子展示了不同类型的拓扑空间及其对应的基。在证明过程中，我们主要验证了基的两个基本条件：

• 每个点都被至少一个基元素包含
• 任意两个基元素的交集可以通过某个基元素来“细化”。
• 这些基元素共同生成了拓扑空间中的所有开集。

参考文献

1.文心一言
2.《测度论基础与高等概率论》
3.《测度论讲义》第三版