拓樸學:連續性的幾何

開集(open set)

把開集想成一塊邊緣沒有圍籬的區域。如果你站在開集內的任何地方,總能朝每個方向至少跨出極小一步而仍在其中——集合裡沒有任何一點恰好貼在邊界上、毫無餘地。數線上的開區間 (0, 1) 就是樣板:其中任一點,比如 0.999,周圍都還有一小塊空間仍在 (0, 1) 內,但端點 1 被刻意排除在外,因為在 1 那裡你就站在懸崖邊、沒有任何挪動的空間了。

在普通的直線或平面上,精確的判準用到小球。一個集合 U 是開的,若對 U 中的每一點 p,都存在某個半徑 r > 0,使得以 p 為心、半徑 r 的整顆球都留在 U 內——每一點都有迴旋的餘地。在一般的拓樸空間裡沒有半徑,所以邏輯反過來:開集就是你一開始宣告(且須滿足三條公理)的那一族,一個集合是開的,恰當它屬於那一族。一點 p 的鄰域(neighbourhood)則是任何包含「某個含 p 之開集」的集合;這就是「圍住 p 的區域」的拓樸版本。

開集是整個拓樸學的承重觀念:連續、極限、連通、緊緻無一不是純粹用它們的語言定義,全程未提距離。誠實的微妙之處在於:「開」並不是日常語言中「閉」的反面。一個集合可以既開又閉(如整個空間、或空集),也可以兩者皆非(如直線上的半開區間 [0, 1))。「閉」意指其補集是開的——而不是指「不開」。

在平面上,所有滿足 x^2 + y^2 < 1 的點構成的圓盤是開的:內部任一點到圓心的距離都小於 1,所以圍住它的一個小圓仍能塞進去。但圓盤 x^2 + y^2 <= 1 不是開的,因為恰在邊緣上(x^2 + y^2 = 1)的點毫無餘地——圍住它的每顆球都會戳到外面。

開意味著嚴格不等式、不含邊界;邊緣正是開性所排除的部分。

別把「開」與「閉」讀成對立:一個集合可以兩者皆是(既開又閉)或兩者皆非,而「閉」的定義是「補集為開」,並非「不是開的」。

又稱
open subset開子集