在拓撲學和相關的數學分支中，豪斯多夫空間、分離空間或T2 空間是其中的點都“由鄰域分離”的拓撲空間。在眾多可施加在拓撲空間上的分離公理中，“豪斯多夫條件”是最常使用和討論的。它蘊涵了序列、網和濾子的極限的唯一性。豪斯多夫得名於拓撲學的創立者之一費利克斯·豪斯多夫。豪斯多夫最初的拓撲空間定義把豪斯多夫條件包括為公理。
基本介紹
- 中文名：豪斯多夫空間
- 外文名：Hausdorff space
- 別名：T2空間
定義,等價,例子和反例,性質,預正則性和正則性,變體,引用,
定義
假設 X 是拓撲空間。設 x 和 y 是 X 中的點。如果存在 x 的鄰域 U 和 y 的鄰域 V 使得 U 和 V 是不相交的 (U ∩ V = ∅)，我們稱 x 和 y 可以“由鄰域分離”。X 是豪斯多夫空間如果任何兩個X 的不同的點可以由鄰域分離。這時的豪斯多夫空間也叫做 T2 空間和分離空間的原因。
X 是預正則空間，如果任何兩個拓撲可區分的點可以由鄰域分離。預正則空間也叫做 R1 空間。
在這些條件之間的聯繫如下。拓撲空間是豪斯多夫空間，若且唯若它是預正則空間和柯爾莫果洛夫空間的二者(就是說獨特的點是拓撲可區分的)。拓撲空間是預正則空間，若且唯若它的柯爾莫果洛夫商空間是豪斯多夫空間。
等價
對於拓撲空間 X，以下論述等價：
X 是豪斯多夫空間。
是積空間 的閉集。
X 中極限是唯一的(就是序列、網和濾子收斂於最多一個點)。
所有包含在 X 中的單元素集合都等於包含它的所有閉鄰域的交集。
對角的 Δ = {(x,x) | x ∈ X} 作為乘積空間 X × X 的子集是閉集。
例子和反例
在數學分析所遇到的幾乎所有空間都是豪斯多夫空間；最重要的實數是豪斯多夫空間。更一般的說，所有度量空間都是豪斯多夫空間。事實上，在分析中用到的很多空間，比如拓撲群和拓撲流形在其定義中明確的聲明了豪斯多夫條件。
最簡單的是 T1 空間而非 T2 空間的拓撲的例子是余有限空間。
偽度量空間典型的不是豪斯多夫空間，但是它們是預正則的，並且它們在分析中通常只用於構造豪斯多夫gauge空間。實際上，在分析家處理非豪斯多夫空間的時候，它至少要是預正則的，他們簡單的把它替代為是豪斯多夫空間的它的柯爾莫果洛夫商空間。
相反的，在抽象代數和代數幾何更經常見到非預正則空間，特別是作為在代數簇或交換環譜上的Zariski拓撲。他們還出現在直覺邏輯的模型論中: 所有完全 Heyting代數都是某個拓撲空間的開集的代數，但是這個空間不需要是預正則的，更少見豪斯多夫空間。
性質
豪斯多夫空間的子空間和乘積是豪斯多夫空間，[1] 但是豪斯多夫空間的商空間不必須是豪斯多夫空間。事實上，所有拓撲空間都可以實現為某個豪斯多夫空間的商。
豪斯多夫空間是 T1 空間，這意味著所有單元素集合是閉集。類似的，預正則空間是 R0 空間。
豪斯多夫空間另一個美好的性質是緊緻集合總是閉集。[2]這對於非豪斯多夫空間就可能失效(例如有其失效的 T1 空間的例子)。
豪斯多夫空間的定義聲稱點可以由鄰域分離。它蘊涵了表象上更強的東西: 在豪斯多夫空間中所有成對的不相交的緊緻集合都可以由鄰域分離。[3] 這是緊緻集合經常表現得如同點的一般規則的一個例子。
緊緻性條件與預正則一起經常蘊涵了更強的分離公理。例如，任何局部緊緻預正則空間都是完全正則空間。緊緻預正則空間是正規空間，意味著它們滿足Urysohn引理和Tietze擴張定理，並且有服從局部有限開覆蓋的單位劃分。這些陳述的豪斯多夫版本是: 所有局部緊緻豪斯多夫空間是吉洪諾夫空間，而所有緊緻豪斯多夫空間是正規豪斯多夫空間。
下列結果是關於來或到豪斯多夫空間的映射(連續函式和其他)的技術上的性質。
設 f : X → Y 是連續函式並假定 Y 是豪斯多夫空間。則 f 的圖象 是 X × Y 的閉子集。
設 f : X → Y 是函式並設 是作為 X × X 的子空間的它的核。
如果 f 是連續函式並且 Y 是豪斯多夫空間則 ker(f) 閉集。
如果 f 是開滿射而 ker(f) 是閉集則 Y 豪斯多夫空間。
如果 f 是連續開滿射(就是開商映射)，則 Y 是豪斯多夫空間，若且唯若 ker(f) 是閉集。
如果 f,g : X → Y 是連續映射而 Y 豪斯多夫空間，則均衡子 在 X 是是閉集。可得出如果 Y 是豪斯多夫空間而 f 和 g 一致於 X 的稠密子集，則 f = g。換句話說，到豪斯多夫空間的連續函式確定自它們在稠密子集上的值。
設 f : X → Y 是閉滿射使得 f−1(y) 對於所有 y ∈ Y 是緊緻的。則如果 X 是豪斯多夫空間則 Y 也是。
設 f : X → Y 是商映射帶有 X 是緊緻豪斯多夫空間。則下列是等價的
Y 是豪斯多夫空間
f 是閉映射
ker(f) 是閉集
預正則性和正則性
所有正則空間都是預正則空間，也都是豪斯多夫空間。有很多拓撲空間的結果對正則空間和豪斯多夫空間二者都成立。多數時候這些結果對於所有預正則空間也成立；它們對正則空間和豪斯多夫空間要分開列出，因為預正則空間的概念要來得更晚。在另一方面，這些對於正則性為真的結果一般不適用於非正則豪斯多夫空間。
有很多情況拓撲空間的其他條件(比如仿緊緻性或局部緊緻性)也蘊涵正則性，如果它滿足預正則性的話。這種條件經常有兩個版本: 正則版本和豪斯多夫版本。儘管豪斯多夫空間一般不是正則性的，局部緊緻的豪斯多夫空間是正則性的，因為任何豪斯多夫空間都是預正則性的。因此從特定角度來看，在有關這些情況的時候它實際是預正則性的，而非正則性的。但是，定義仍依據正則性來措辭，因為這些條件比預正則性更周知。
更詳細細節請參見分離公理的歷史。
變體
術語“豪斯多夫”、“分離”和“預正則”還可以用於在拓撲空間上的變體如一致空間、柯西空間和收斂空間。在所有這些例子中統一的概念特徵是網或濾子(在它們存在的時候)的極限是唯一的（對於分離空間）或在拓撲同構意義下唯一的(對於預正則空間)。
這顯現出一致空間和更一般的柯西空間總是預正則的，所有在這些情況下豪斯多夫條件簡約為 T0 條件。還有完備性在其中有意義的空間，豪斯多夫性在這些情況下是完備性的自然夥伴。特別是，一個空間是完備的，若且唯若所有柯西網有至少一個極限，而一個空間是豪斯多夫的，若且唯若所有柯西網都有最多一個極限(因為只有柯西網可以首先有極限)。
引用
Munkres, J. R., 2000, Topology, 2nd edition, Upper Saddle River, NJ: Prentice Hall. ISBN 0-131-81629-2
趙文敏，《拓樸學導論》，九章出版社，ISBN 957-603-018-8
Arkhangelskii, A.V., L.S.Pontryagin, General Topology I, (1990) Springer-Verlag, Berlin. ISBN 3-540-18178-4
Bourbaki; Elements of Mathematics: General Topology, Addison-Wesley (1966).
Willard, Stephen（2004）．General Topology．Dover Publications．ISBN 0486434796．
