聚點(Accumulation Point)

Basis
最後更新: 標籤: 拓撲學

在微積分中,你或許已見過數列收斂到極限,或函式在其自變數趨近某點時趨近某個值。這兩個概念都取決於同一個問題:無論鄰域多小,給定點的每個鄰域是否都被某個集合「觸及」?**聚點(accumulation point)**正是在任意拓撲空間中精確刻畫這一概念,而無需借助距離或數列。

定義

(X,τ)(X, \tau)拓撲空間AXA \subseteq X。若 XX 中的一個點 xx 的每個包含 xx 的開集都與 AAxx 本身以外的至少一個點相交,則稱 xxAA聚點(accumulation point)——也稱為 AA極限點(limit point)叢聚點(cluster point)

Uτ,xU    (U{x})A.(1)\forall\, U \in \tau,\quad x \in U \implies (U \setminus \{x\}) \cap A \neq \varnothing. \tag{1}

有兩點值得立即注意:

  • xx 不必屬於 AA。它是周圍空間 XX 中一個在每個方向上都能「看見」AA 的點。
  • {x}\setminus \{x\}」的寫法是刻意的:我們將 xx 本身排除在要求之外。若不排除,AA 中的每個點都會平凡地滿足條件(任何包含 xx 的開集 UxU \ni x 都滿足 UAxU \cap A \ni x)。真正有趣的問題是:AAxx 的每個開鄰域中是否都是「稠密的」。

範例

實數線

R\mathbb{R} 中賦予標準度量拓撲,開集是開區間的聯集。

  • [0,1][0, 1] 中的每個點都是開區間 (0,1)(0, 1) 的聚點。對任意 x[0,1]x \in [0, 1] 和任意包含 xx 的開集 UUUU 包含 xx 附近的一整個開區間,它必然與 (0,1)(0, 1) 在除 xx 以外的無窮多個點相交。
  • 00{1/n:nN+}\{1/n : n \in \mathbb{N}^+\} 的聚點:00 附近的每個開區間 (ε,ε)(-\varepsilon, \varepsilon) 對足夠大的 nn 都包含 1/n1/n
  • Z\mathbb{Z} 中沒有任何點是 Z\mathbb{Z} 本身的聚點。每個整數 nn 都有鄰域 (n12,n+12)(n - \tfrac{1}{2}, n + \tfrac{1}{2}),其中不含其他整數。

有限集

X=RX = \mathbb{R}(標準拓撲),A={1,2,3}A = \{1, 2, 3\}XX 中沒有任何點是 AA 的聚點。對任意 xXx \in X,以半徑 12minaAxa\tfrac{1}{2} \min_{a \in A} |x - a| 為半徑(若 xAx \notin A 則取 min=+\min = +\infty)在 xx 附近的開區間中不含 A{x}A \setminus \{x\} 的任何元素。度量空間中的有限集沒有聚點。

離散拓撲

在任意集合 XX 上的離散拓撲(discrete topology)中,每個單點集 {x}\{x\} 都是開集。對任意 AXA \subseteq X 和任意候選點 xx,取 U={x}U = \{x\}(U{x})A=(U \setminus \{x\}) \cap A = \varnothing,故條件 (1)(1) 不成立。離散拓撲中任何集合都沒有聚點

這在直覺上是自然的:在離散拓撲中「每個點都孤立存在」,沒有從附近趨近的概念。

密著拓撲

XX 上的**密著拓撲(indiscrete topology)**中(只有 \varnothingXX 是開集),包含 xx 的唯一開集是 XX 本身。對任意非空集合 AA 和任意 xXx \in X,只要 A⊈{x}A \not\subseteq \{x\}(X{x})A(X \setminus \{x\}) \cap A 就非空。因此,XX 中每個點都是每個基數 A2|A| \geq 2 的集合 AA 的聚點。

孤立點

AA 中的點 xx不是 AA 的聚點,則稱為 AA孤立點(isolated point):存在包含 xx 的開集 UU 使得 (U{x})A=(U \setminus \{x\}) \cap A = \varnothing,即 xxUUAA 的唯一元素。

孤立點與聚點在 AA 的點中互斥:AA 中的每個 xx 要麼是孤立點,要麼是聚點。沒有孤立點的集合稱為完全集(perfect set)(當它也等於自己的導集時——參見導集)。

拓撲如何塑造聚點

同一個集合 AA 在不同拓撲下可以有完全不同的聚點:

  • R\mathbb{R} 的標準拓撲中,集合 {0}{1/n:n1}\{0\} \cup \{1/n : n \geq 1\} 只有 00 是聚點。
  • 在只有 \varnothingR\mathbb{R} 是開集的拓撲中,R\mathbb{R} 中每個點都是任何無限集的聚點。
  • {0}\{0\} 是開集的拓撲中,00 不再是 {1/n:n1}\{1/n : n \geq 1\} 的聚點。

這種靈活性——同樣的底層集合在不同拓撲下具有不同的聚點——正是抽象定義如此強大的原因。你選擇適合問題的拓撲,聚點隨之確定。

與收斂的聯繫

在度量空間中,xxAA 的聚點當且僅當 A{x}A \setminus \{x\} 中存在收斂到 xx 的數列 (an)(a_n)。然而在一般拓撲空間中,數列並不總能檢測聚點;你可能需要網(net)濾子(filter),這超出了本章節的範圍。

摘要

  • XX 中的點 xx 的每個包含 xx 的開集都與 AXA \subseteq X 在除 xx 以外的某個點相交時,xx 就是 AA聚點(極限點、叢聚點)。
  • xx 不必屬於 AA:聚點由周圍的拓撲決定,而非僅由 AA 的成員關係決定。
  • 離散拓撲中,沒有集合有聚點。在密著拓撲中,每個點都是每個足夠大的集合的聚點。
  • AA 中不是 AA 的聚點的點稱為孤立點
  • 同一集合上不同的拓撲對同一子集產生不同的聚點。
  • AA 的所有聚點組成的集合構成**導集** AA'AAA' \subseteq A 等價於 AA 是閉集。