点集拓扑 · 分离公理

把两个点分开,需要哪些开集?

先给 X={a,b,c} 选好开集。开集太少时,某些点会被迫一起出现;下面逐对核查,找出到底是哪一步分不开。

核对这对点的邻域

T₀ 只需一个开集把两点区别开;T₁ 需要双向排除;T₂ 还要求两点的开邻域互不相交。

换成无限集:整数上的余有限拓扑

现在全集是整个 ℤ。取 U=ℤ∖F、V=ℤ∖G,其中 F、G 都有限。屏幕上只画一小段整数,右侧还有无限多个点。

空心点表示被排除,实心点表示保留。数轴右端的箭头提醒你:这张图没有画完整个 ℤ。

对不同整数 p、q,ℤ∖{q} 包含 p 并排除 q,反过来也能做到,所以这是 T₁ 空间。但任意两个非空余有限开集仍有公共整数,无法给 p、q 找到不交开邻域,因此不是 T₂。

为什么三点实验里找不到 T₁ 但非 T₂ 的拓扑?

在有限空间中,若满足 T₁,每个单点集都闭。固定 x,把所有其他点的补集做有限交,就得到开集 {x}。每个单点都开,空间只能是离散的,因而也满足 T₂。

上面的余有限例子依赖 ℤ 是无限集。若把全集真的改成有限集,“余有限”会允许每个子集都是开集,得到的恰好是离散拓扑。