商空間
本文介紹拓撲學中的商空間，線性代數中的商空間參見商空間。在拓撲學及其相關數學領域，一個商空間（quotient space，也稱為等化空間identification space）直觀上說是將一個給定空間的一些點等同或「黏合在一起」；由一個等價關係確定哪些點是等同的。這是從給定空間構造新空間的常見方法。
定義
[編輯]假設X是一個拓撲空間，~是X上一個等價關係。我們能夠在商集合X/~（這個集合有所有~的等價類組成）上定義一個拓撲使得：X/~中一個等價集合是開集若且唯若他們的併集在X中是開集。所得的拓撲稱為在商集合X/~上的商拓撲（quotient topology）。
商拓撲可以由如下方式等價地定義：設q : X → X/~是將X的任何元素映為它的等價類的投影映射（）。則X/~上的商拓撲定義為使q 連續的最細拓撲（finest topology）。
![{\displaystyle x\mapsto [x]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/a07b95c49afdb5a84f26120657148e94c94a69be)
給定一個從拓撲空間X到集合Y的滿射f : X → Y，我們可以在Y上定義商拓撲為使f連續的最細拓撲。這等價於說集合V ⊆ Y在Y中開若且唯若它的原像f−1(V)在X中開。映射f在X上誘導了一個等價關係，即x1~x2若且唯若f(x1) = f（x2）。這個商空間X/~ 同胚於Y（帶著它的商拓撲），同構映射為將x的等價類映為f(x)。
一般地，如果Y具有由一個滿連續映射f : X → Y確定的商拓撲，則f稱為一個商映射（quotient map）。
例子
[編輯]- 黏合：通常，拓撲學家討論將一些點黏合在一起。如果X是一個拓撲空間，點「黏合」在一起，這意味著我們考慮由等價關係a~b若且唯若a = b或a = x, b = y（或a = y, b = x）得到的商空間。即這兩個點被看作一個。
- 考慮一個單位正方形I2 = [0,1]×[0,1]以及由所有邊界點等價生成的等價關係~，從而所有邊界點等同到一個等價類。則I2/~同構於單位球面S2。
- 黏著空間（Adjunction space）：更一般地，假設X是一個空間，A是X的一個子空間。我們可以將A中所有點等同到一個等價類，而A以外的點不變。所得的空間記作X/A。2維球面同構於將單位圓盤的邊界等同為一個點D2/∂D2。
- 考慮集合X = ，取通常拓撲的實數集，記x ~ y 若且唯若x−y是一個整數。則商空間X/~同構於單位圓周S1，同構映射為將x的等價類映為 exp（2πix）。
- 上一個例子的一類大量的推廣如下：假設一個拓撲群G連續作用在空間X上。我們可以構造X上一個等價關係，如果兩點等價若且唯若它們在同一個軌道中。這個關係下的商空間稱為軌道空間，記作X/G。上一個例子中G = 通過平移作用在上。軌道空間同構於S1。
- 注：記號有歧義：如果理解成一個群作用在上則商空間是圓周；如果看作的一個子空間，則商空間是無窮的一束圓在同一個點連接起來。
性質
[編輯]商映射 q : X → Y是由如下性質刻畫的滿射：如果Z是任何拓撲空間，f : Y → Z是任何函數，則f連續若且唯若f O q連續。
商空間X/~與商映q : X → X/~一起由如下泛性質刻畫。如果g : X → Z是一個連續映射使得：對所有a與b屬於X，a~b蘊含g(a)=g(b)，則存在惟一連續映射f : X/~ → Z使得g = f O q。我們稱 g「下降到商」。
因此定義在X/~商的連續映射恰是由定義在X上與等價關係一致的連續映射（它們將同一個等價類中的元素映到相同的像）誘導的。在研究商空間時，時常使用這個判據。
給定一個連續滿射f : X → Y，關於f是否為商映射的判據是有用的。兩個充分條件是f為開映射或閉映射。注意這兩個條件只是充分條件而不是必要的。容易構造出不開或不閉的商映射例子。
與其它拓撲概念的相容性
[編輯]又見
[編輯]拓撲學
[編輯]代數
[編輯]參考
[編輯]- Stephen Willard, General Topology, (1970) Addison-Wesley Publishing Company, Reading Massachusetts.
- Quotient space. PlanetMath.