Pure Mathematics
Vol. 09  No. 05 ( 2019 ), Article ID: 31384 , 11 pages
10.12677/PM.2019.95078

The Topological Structure for Sets with n Points and Algorithm

Xiaoan Shi, Li Fu*

School of Mathematics and Statistics, Qinghai Nationalities University, Xining Qinghai

Received: Jun. 27th, 2019; accepted: Jul. 17th, 2019; published: Jul. 24th, 2019

ABSTRACT

This article deals with the Topological Structure for sets with n points and tests it with the example of n = 1,2,3,4, meanwhile showing the calculating way that whether testing a given set will form a tological space or not.

Keywords:Topology, Topological Space, Topological Structure

恰含n个点的集合的拓扑结构和算法

石孝安,傅丽*

青海民族大学,数学与统计学院,青海 西宁

收稿日期:2019年6月27日;录用日期:2019年7月17日;发布日期:2019年7月24日

摘 要

本文讨论了恰含n个点的集合上可能的拓扑结构,并以n = 1,2,3,4为例加以说明,同时给出了验证一个给定的集族是否形成一个拓扑空间的算法。

关键词 :拓扑,拓扑空间,拓扑结构

Copyright © 2019 by author(s) and Hans Publishers Inc.

This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY).

http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

1. 引言

拓扑学是数学中一个重要的、基础性的分支,找出给定集合上的拓扑结构一直被认为是比较麻烦的,特别当一个集合包含的元素越多的时候,花费的时间较多,还容易出错。计算机程序设计越来越普遍,一个有效的验证程序在节省验收时间的同时也可以提高准确度。

本文讨论恰含n点的集合的拓扑结构和可能的拓扑的数量,同时给出了验证是否形成拓扑的算法。下文先给出了需要的基础知识。第二部分讨论恰含n个点的集合的拓扑结构,找出了形成的可能拓扑的规律,并通过实例加以说明。第三部分给出了验证X的任意子集族T是否为X的拓扑空间的程序。

2. 基础知识

1) 拓扑空间定义:

定义1.1 [1] :设X是一个集合, T P ( X ) ( P ( X ) 表示X的幂集),即T是X的一个子集族,如果T满足如下条件:

1、 ϕ , X T

2、如果 A , B T ,则 A B T

3、若 T 1 T ,则 A T 1 A T ϕ , X T

则称T是X上的一个拓扑。

如果是集合X上的一个拓扑,则称对偶 ( X , T ) 是一个拓扑空间,或称集合X是一个相对于拓扑T而言的拓扑空间;或者当拓扑T早已约定或在行文中已有说明而无需指出时,仅称集合X是一个拓扑空间,此外T的每一个元素叫做拓扑空间 ( X , T ) 中的一个开集,集合X中的元素叫拓扑空间中的点。

设T是X的一个拓扑,由于T中的每一个元素是拓扑空间X中的开集,因此拓扑空间X的定义可以理解为:

一个集合X的拓扑是X的一个开集族满足条件:

1、 ϕ , X 是开集;

2、任意两个开集的交集是开集;

3、任何开集族的并是开集。

注1:

1、X的任意有限开集族的交是开集。

2、X的任意开集族的并是开集。

对偶的我们可以写出闭集的类似定义:

注2:

1、X的任意有限闭集族的并是闭集。

2、X的任意闭集族的交是闭集。

2) 拓扑空间上特殊的空间

1、平庸拓扑: T = { ϕ , X } , | T | = 2 ,T是 X的一个拓扑,称之为X的平庸拓扑,这样的拓扑空间只有一个,在平庸空间中只有两个开集,即X自身和空集,称为最粗的拓扑。

2、离散拓扑: T = P ( x ) , | T | = 2 n ,即T是由X的全体子集构成的,显然,T是X的一个拓扑,称之为X的离散拓扑,并且称拓扑空间 ( X , T ) 为离散空间,这样的拓扑空间有一个,称为最细的拓扑。

3、除此之外,我们对 2 < | T | < 2 n 一般的拓扑空间进行探究:

3. 恰含n个点的集合的拓扑结构

根据拓扑空间的定义,我们可以根据集合X中含有不同元素而构造不同的拓扑,在此之中寻找其规律,主要通过以下几个方面做探究:

1、分别设X是一个包含一、二、三、四个元素的集合。

2、当集合X中的元素不同时,可以构造几个不同的拓扑,随着元素的增加,有何规律。

3、当集合X含有的元素不同时,会包含几类不同的拓扑。

4、每一类拓扑之间有何规律。

5、不同的拓扑之间是否有关联。

6、当含有元素为奇数和偶数是是否呈现一致的规律。

1) 主要结论

| X | = n ,X上的拓扑

| T | = 3 ,T的元中, ϕ , X , A , A X ,(A是真子集)

可能的个数 C n 1 + + C n i i + + C n i n i + 1 = 2 n i 2

| T | = 4 ,T的元中, ϕ , X , A , B X

Case1: A B (即满足 A B X )

| A | = i ,则B的可能个数为 C n i 1 + C n i 2 + + C n i n i 1 = 2 n i 2

设T的总个数为 i = 1 n C n i i ( C n i 1 + + C n i n i + 1 ) = i = 1 n 2 C n i ( 2 n i 2 )

Case2: A B = ϕ , A B = X

| T | = 5 ,T的元中, ϕ , X , A , A , B X , { A B C X A B = ϕ , A B = C

Case1: A B C X ,在这种情况下, max | A | = n 3 , max | B | = n 2 , max | C | = n 3

假设: | A | = i , i < | B | j , λ < | C | k n 1

则A的取值法 C n i ,B的取法 C n i 1 + C n i 2 + + C n i j

Case2: A B = ϕ A B = C X max | C | = n 1 ,即 max ( i + j ) = n 1 ,设 | B | = j ,则A的取法 C n i ;B的取法 C n i j ,总的拓扑的数: 1 + j n C n i C n i j

C的取法: C n j 1 + C n j 2 + + C n j k

总的拓扑个数: i = 1 n 3 j = i + 1 n 2 k = j + 1 n 1 C n i ( C n i 1 + + C n i j i ) ( C n j 1 + + C n j k i )

| T | = 6 ,T的元中,

ϕ , X , A , A , B , C , D X , { A B C D A B = ϕ , A B = C D max | A | = n 4 , max | B | = n 3 , max | C | = n 2 , max | D | = n 1

Case1: | A | = i < | B | j < | C | k < | D | m n 1 ,

总的拓扑个数 i = 1 n 4 j = i + 1 n 3 k = j + 1 n 2 m = k + 1 n 1 C n i ( C n j 1 + + C n j k i ) ( C n k 1 + + C n k m j )

Case2:,设 | X | = k

总的拓扑个数为: i + j n 2 j = i + j + 1 n 1 C n i C n i j ( C n j 1 + + C n j k i )

2) 例题

例1:X是含有一个元素的集合 X = { a } ,n = 1,则拓扑空间有1个为:

T 1 = P ( x ) = { ϕ , X }

例2:X是含有两个元素的集合 X = { a , b } ,n = 2,则拓扑空间有3个为:

T 1 = P ( x ) = { ϕ , X } T 2 = { ϕ , X , { a } } T 3 = { ϕ , X , { b } }

例3:X是含有三个元素的集合 X = { a , b , c } ,n = 3,则拓扑空间有32个为:

T 1 = { ϕ , X }

| T | = 3 ,含有除 ϕ , X 外,单个元素的拓扑空间有6个为:

T 1 = { ϕ , X , { a } } T 2 = { ϕ , X , { b } } T 3 = { ϕ , X , { c } }

T 4 = { ϕ , X , { a , b } } T 5 = { ϕ , X , { a , c } } T 6 = { ϕ , X , { b , c } }

| T | = 4 ,含有除 ϕ , X 外,两个元素的拓扑空间有9个为:

A B

T 1 = { ϕ , X , { a } , { a , b } } T 2 = { ϕ , X , { a } , { a , c } } T 3 = { ϕ , X , { b } , { a , b } }

T 4 = { ϕ , X , { b } , { c , b } } T 5 = { ϕ , X , { c } , { a , c } } T 6 = { ϕ , X , { c } , { b , c } }

A B = ϕ , A B = X

T 7 = { ϕ , X , { a } , { c , b } } T 8 = { ϕ , X , { b } , { a , c } } T 9 = { ϕ , X , { c } , { a , b } }

| T | = 5 ,除 ϕ , X 外,含有三个元素的拓扑空间有6个为:

A B or A C A B = A A C = C A C = C

T 1 = { ϕ , X , { a } , { a , b } , { a , c } } T 2 = { ϕ , X , { a } , { a , b } , { b , c } } T 3 = { ϕ , X , { c } , { a , c } , { b , c } }

A C B C B C

T 4 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } } T 5 = { ϕ , X , { a } , { c } , { a , c } } T 6 = { ϕ , X , { b } , { c } , { b , c } }

| T | = 6 ,除 ϕ , X 外,含有四个元素的拓扑空间有6个为:

T 1 = { ϕ , X , { b } , { c } { a , b } , { b , c } } T 2 = { ϕ , X , { a } , { b } { a , b } , { b , c } }

T 3 = { ϕ , X , { a } , { c } { a , c } , { b , c } } T 4 = { ϕ , X , { b } , { c } { a , c } , { b , c } }

T 5 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } , { a , c } } T 6 = { ϕ , X , { a } , { c } , { a , c } , { a , b } }

| T | = 7 ,除 ϕ , X 外,含有五个元素的拓扑空间有3个为:

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } , { a , c } , { b , c } } T 2 = { ϕ , X , { a } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } }

T 3 = { ϕ , X , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } }

| T | = 8 ,除 ϕ , X 外,含有六个元素的拓扑空间有1个为:

T 1 = P ( X ) = { ϕ , X , { a } , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } }

例4:X是含有四个元素的集合 X = { a , b , c , d } ,n = 4,则拓扑空间有:466个

(因为拓扑空间个数较多,我们只写出每一类的代表元)

T 1 = { ϕ , X }

| T | = 3 ,含有除 ϕ , X 外,单个元素的拓扑空间:14个

T 1 = { ϕ , X , { a } } (4个) T 5 = { ϕ , X , { a , b } } (6个) T 11 = { ϕ , X , { a , b , c } } (4个)

| T | = 4 ,含有除 ϕ , X 外,两个元素的拓扑空间:36 + 7 = 43

A B (36个)

T 4 = { ϕ , X , { b } , { a , b } } T 7 = { ϕ , X , { c } , { a , c } } T 10 = { ϕ , X , { d } , { a , d } } (各有3个)

T 13 = { ϕ , X , { a } , { a , b , c } } T 16 = { ϕ , X , { b } , { a , b , c } } T 19 = { ϕ , X , { c } , { a , b , c } } T 22 = { ϕ , X , { d } , { a , b , d } } (各有3个)

T 25 = { ϕ , X , { a , b } , { a , b , c } } T 27 = { ϕ , X , { a , c } , { a , b , c } } T 29 = { ϕ , X , { a , d } , { a , b , d } } T 31 = { ϕ , X , { b , c } , { a , b , c } } T 33 = { ϕ , X , { b , d } , { a , b , d } } T 35 = { ϕ , X , { c , d } , { a , c , d } } (各有2个)

A B = ϕ , A B = X

T 37 = { ϕ , X , { a , b } , { c , d } }

T 40 = { ϕ , X , { a } , { b , c , d } } (各有3个)

| T | = 5 ,除 ϕ , X 外,含有三个元素的拓扑空间有36个为:

A 1 , A 2 A 3 (6个): T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } }

A 1 A 2 A 3 (24个): T 7 = { ϕ , X , { a } , { a , b } , { a , b , c } }

A 1 A 2 A 3 = X , A 2 A 3 = A 1 (6个): T 31 = { ϕ , X , { a , b } , { a , b , c } , { a , b , d } }

| T | = 6 ,除 ϕ , X 外,含有四个元素的拓扑空间有36个为:

A 1 A 2 , A 3 , A 4 , A 1 A 2 A 3 A 4 = A 1 (12个): T 1 = { ϕ , X , { a } { a , b } , { a , c } , { a , b , c } }

A 1 / A 2 / A 3 A 4 , A 1 / A 2 A 3 , A 1 A 2 = A 3 (12个): T 13 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } , { a , b , c } }

A 1 / A 2 A 3 / A 4 , A 3 A 4 = A 2 , A 3 A 4 = X (12)#Math_165#

| T | = 7 ,除 ϕ , X 外,含有五个元素的拓扑空间有22个为: A 1 A 2 , A 3 , A 4 , A 5 , A 2 A 3 = A 4 , A 4 A 5 = X (16个):

T 1 = { ϕ , X , { a } , { a , b } , { a , c } , { a , b , c } , { a , b , d } }

A 1 , A 2 , A 3 A 4 , A 5 , A 1 A 2 = A 3 , A 4 A 5 = X (6个):

T 17 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } , { a , b , c } , { a , b , d } }

| T | = 8 ,除 ϕ , X 外,含有六个元素的拓扑空间有180个为:;

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } , { a , c } , { a , b , c } , { a , b , d } }

| T | = 9 ,除 ϕ , X 外,含有七个元素的拓扑空间有28个为:

A 1 A 2 = A 4 , A 2 A 3 = A 5 , A 4 A 5 A 6 = A 7 (4个):

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } , { a , b , c } }

A 1 A 2 = A 3 , A 3 A 4 = A 6 , A 4 A 5 = A 7 (24个):

T 5 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } , { a , d } , { c , d } , { a , b , d } , { a , c , d } } (4个)

T 9 = { ϕ , X , { a } , { c } , { a , c } , { a , b } , { b , d } , { a , b , c } , { a , b , d } } (4个)

T 13 = { ϕ , X , { a } , { d } , { a , d } , { a , b } , { b , c } , { a , b , d } , { a , b , c } } (4个)

T 17 = { ϕ , X , { b } , { d } , { b , d } , { a , b } , { a , c } , { a , b , d } , { a , b , c } } (4个)

T 21 = { ϕ , X , { c } , { d } , { c , d } , { d , b } , { a , b } , { b , c , d } , { a , b , d } } (4个)

T 25 = { ϕ , X , { b } , { c } , { b , c } , { c , d } , { a , d } , { b , c , d } , { a , c , d } } (4个)

| T | = 10 ,除 ϕ , X 外,含有八个元素的拓扑空间有84个为:

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , b } , { a , c } , { a , d } , { a , b , c } , { a , b , d } , { a , c , d } }

| T | = 11 ,除 ϕ , X 外,含有九个元素的拓扑空间有12个为:

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } , { a , b , c } , { a , d } , { a , b , d } }

| T | = 12 ,除 ϕ , X 外,含有十个元素的拓扑空间有4个为:

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { a , d } , { a , b , c } , { a , b , d } , { a , c , d } , { b , c } }

| T | = 13 ,除 ϕ , X 外,含有十一个元素的拓扑空间有12个

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { c } , { a , b } , { a , c } , { b , c } , { a , d } , { a , b , c } , { a , b , d } , { a , c , d } , { b , c , d } }

| T | = 14 ,除 ϕ , X 外,含有十二个元素的拓扑空间有0个

| T | = 15 ,除 ϕ , X 外,含有十三个元素的拓扑空间有0个

| T | = 16 ,除 ϕ , X 外,含有十四个元素的拓扑空间有1个为:

T 1 = { ϕ , X , { a } , { b } , { c } , { d } , { a , b } , { a , c } , { b , c } , { a , d } , { c , d } , { b , c } , { a , b , c } , { a , b , d } , { a , c , d } , { b , c , d } } = P (X)

根据上面实例我们得到下表数据:

4. 验证是否为拓扑空间的算法

从以上的不同集合上构造不同拓扑可以看出,验证方法特别繁琐,而且当一个集合包含的元素越多的时候,花费的时间较多,还容易出错。计算机程序设计越来越普遍,计算机计算节省了很多时间。下面给出X的任意子集族T是否为X的拓扑空间的程序:

return 0;

}

附程序:

注:此程序是以数值进行输入,所以验证的拓扑空间是自然数的子集族。下面我们以例题的方式验证程序的可行性。

例5:设X是一个三元素集合, ,我们验证X的子集族 T 1 = { ϕ , X , { b } , { a , b } , { b , c } } T 2 = { ϕ , X , { a } , { b } , { a , c } , { b , c } } 是否为拓扑空间。

注:

1、依次可验证任意集合上的任意子集族是否为拓扑空间,由于验证界面较长,不在此展示,读者可自行验证。

2、我们给出了定义1.1的验证程序,有兴趣的读者可根据基础知识中的注1和注2写出相应的验证程序。

基金项目

本课题由青海省自然科学基金(批准号:2018-z-911)、国家自然科学基金(批准号:61773019)资助。

文章引用

石孝安,傅 丽. 恰含n个点的集合的拓扑结构和算法
The Topological Structure for Sets with n Points and Algorithm[J]. 理论数学, 2019, 09(05): 585-595. https://doi.org/10.12677/PM.2019.95078

参考文献

  1. 1. 熊金城, 编. 点集拓扑讲义[M]. 第3版. 北京: 高等教育出版社, 2003.

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