拓扑学基础

序列紧

序列紧用序列而非覆盖的眼光来刻画紧性:无论你如何在空间中游走、一步接一步,你总能沿着自己步伐的某个无穷子集停驻下来,逐渐收拢到唯一的一点。任何东西都无法逃逸到无穷远、或漏进某个洞里,因为总有某个子序列被迫收敛。

严格地说,空间 X 是序列紧的,如果 X 中的每个序列都有一个收敛到 X 中某点的子序列。这是分析学家最先遇到的紧性形态,因为它恰是波尔查诺–魏尔斯特拉斯定理用于 R^n 的闭有界子集时所得的结论。

在一般拓扑空间中,序列紧与(覆盖)紧在逻辑上彼此独立——不加额外假设,谁都不蕴含谁。调和二者的是度量空间:在度量空间中两者重合,那里紧、序列紧、极限点紧三者意义相同。因此微积分里宽松的口号“紧即每个序列有收敛子序列”,恰在你通常使用它的场合为真,却并非完全一般情形下紧性的定义。

在 [0, 1] 中,序列 a_n = (-1)^n / 2 + 1/2,即 0, 1, 0, 1, ...,有收敛子序列 0, 0, 0, ...(偶数项)趋于 0。由波尔查诺–魏尔斯特拉斯定理,[0, 1] 中每个序列都有某个收敛子序列,故 [0, 1] 序列紧;而无界空间 R 中的序列 a_n = n 根本没有收敛子序列。

[0,1] 中每个序列都有收敛子序列;R 中 a_n = n 逃向无穷,没有任何收敛子序列。

又称
sequential compactness列紧列緊