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
設 (X,τ) 為拓撲空間,A⊆X。若 X 中的一個點 x 的每個包含 x 的開集都與 A 在除 x 本身以外的至少一個點相交,則稱 x 為 A 的聚點(accumulation point)——也稱為 A 的極限點(limit point)或叢聚點(cluster point):
∀U∈τ,x∈U⟹(U∖{x})∩A=∅.(1)
有兩點值得立即注意:
- x 不必屬於 A。它是周圍空間 X 中一個在每個方向上都能「看見」A 的點。
- 「∖{x}」的寫法是刻意的:我們將 x 本身排除在要求之外。若不排除,A 中的每個點都會平凡地滿足條件(任何包含 x 的開集 U∋x 都滿足 U∩A∋x)。真正有趣的問題是:A 在 x 的每個開鄰域中是否都是「稠密的」。
範例
實數線
在 R 中賦予標準度量拓撲,開集是開區間的聯集。
- [0,1] 中的每個點都是開區間 (0,1) 的聚點。對任意 x∈[0,1] 和任意包含 x 的開集 U,U 包含 x 附近的一整個開區間,它必然與 (0,1) 在除 x 以外的無窮多個點相交。
- 點 0 是 {1/n:n∈N+} 的聚點:0 附近的每個開區間 (−ε,ε) 對足夠大的 n 都包含 1/n。
- Z 中沒有任何點是 Z 本身的聚點。每個整數 n 都有鄰域 (n−21,n+21),其中不含其他整數。
有限集
設 X=R(標準拓撲),A={1,2,3}。X 中沒有任何點是 A 的聚點。對任意 x∈X,以半徑 21mina∈A∣x−a∣ 為半徑(若 x∈/A 則取 min=+∞)在 x 附近的開區間中不含 A∖{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 X 上的離散拓撲(discrete topology)中,每個單點集 {x} 都是開集。對任意 A⊆X 和任意候選點 x,取 U={x} 則 (U∖{x})∩A=∅,故條件 (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
在 X 上的**密著拓撲(indiscrete topology)**中(只有 ∅ 和 X 是開集),包含 x 的唯一開集是 X 本身。對任意非空集合 A 和任意 x∈X,只要 A⊆{x},(X∖{x})∩A 就非空。因此,X 中每個點都是每個基數 ∣A∣≥2 的集合 A 的聚點。
孤立點
A 中的點 x 若不是 A 的聚點,則稱為 A 的孤立點(isolated point):存在包含 x 的開集 U 使得 (U∖{x})∩A=∅,即 x 是 U 中 A 的唯一元素。
孤立點與聚點在 A 的點中互斥:A 中的每個 x 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 A 在不同拓撲下可以有完全不同的聚點:
- 在 R 的標準拓撲中,集合 {0}∪{1/n:n≥1} 只有 0 是聚點。
- 在只有 ∅ 和 R 是開集的拓撲中,R 中每個點都是任何無限集的聚點。
- 在 {0} 是開集的拓撲中,0 不再是 {1/n:n≥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,x 是 A 的聚點當且僅當 A∖{x} 中存在收斂到 x 的數列 (an)。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)或濾子(filter),這超出了本章節的範圍。
摘要
- 當 X 中的點 x 的每個包含 x 的開集都與 A⊆X 在除 x 以外的某個點相交時,x 就是 A 的聚點(極限點、叢聚點)。
- x 不必屬於 A:聚點由周圍的拓撲決定,而非僅由 A 的成員關係決定。
- 在離散拓撲中,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。
- A 中不是 A 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。
- A 的所有聚點組成的集合構成**導集** A′,A′⊆A 等價於 A 是閉集。