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$\mathbb{R}$上的欧几里得拓扑$\eta$是否存在非离散的真稳定细化?

$\mathbb{R}$上的欧几里得拓扑$\eta$是否存在非离散的真稳定细化?

首先我们先明确稳定细化的定义:对于同一集合$X$上的两个拓扑$\tau$和$\sigma$,称$\tau$稳定细化$\sigma$,当且仅当同时满足两个条件:

  • $\tau \supseteq \sigma$(也就是$\tau$在常规拓扑意义下比$\sigma$更细);
  • 所有$\sigma$-连续的函数$f: X \rightarrow X$,也都具备$\tau$-连续性。

要知道,稳定细化是比普通“更细拓扑”严格得多的概念——举个例子,集合上的平凡拓扑(indiscrete topology),它唯一的真稳定细化就是对应的离散拓扑。

回到核心问题:实数集$\mathbb{R}$上的常规欧几里得拓扑$\eta$,是否存在非离散的真稳定细化呢?

我们先来看一个容易推导的结论:如果$\tau$是$\eta$的稳定细化,并且闭区间$[0,1]$是$\tau$中的开集,那么$\tau$必然是离散拓扑。推导过程很直观:
对任意实数$a$,构造函数$f_a(x) = -(x-a)2$,这个函数在常规拓扑$\eta$下显然是连续的,根据稳定细化的要求,它在$\tau$下也必须连续。而$f_a$的原像$f_a{-1}([0,1]) = {a}$,这就意味着单点集${a}$是$\tau$-开集;当所有单点集都是开集时,$\tau$自然就是离散拓扑了。

这个思路其实可以推广到任意“闭但不开”的集合上,但碰到像$\mathbb{Q}$(有理数集)这种性质更复杂的集合时就失效了。原提问者最初曾猜测,可能存在一个非离散的稳定细化$\tau$,使得$\mathbb{Q}$是$\tau$中的开集,但后来这个猜测被证明是错误的——参考Robert Israel的相关论证。

备注:内容来源于stack exchange,提问作者Noah Schweber

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