连续的一一映射,其逆映射怎样才连续?

在拓扑学中有很多的反例能够说明,从一个拓扑空间到另一个拓扑空间的连续一一映射,其逆映射不一定是连续的,即使假定两个拓扑空间都是距离空间。

反例1:

 \begin{aligned}f:[0,2\pi) & \to C(0,1) \\ t & \to e^{it}\end{aligned}

它是连续映射,但是其逆映射在单位圆的 (1,0) 点是不连续的。
反例2:

\begin{aligned}f:[0,1)\cup \{2\} & \to [0,1] \\ t & \to \left\{\begin{matrix}t & t<1\\ 1 & t=2 \end{matrix}\right.\end{aligned}

在相对拓扑意义下,f 是连续的,但是其逆映射不连续。

但是,数学各个分支中又有很多定理表明,如果加了某些条件,一个连续的一一映射,其逆映射可以保证也是连续的。如:

命题1:定义在一段连续区间上的实值函数,如果是连续单射,那么它的反函数也是连续的。
命题2(泛函分析中的开映射定理):定义在两个巴拿赫空间之间的连续线性算子,如果是满射,那么它是开映射,即将开集映为开集,那么它如果可逆,其逆映射就一定是连续的。
命题3:复平面上的解析映射是开映射,跟上一个例子类似,如果它可逆,那么它的逆映射是连续的。
更一般的,在拓扑中有这样的事实:
命题4:紧致空间的连续映射的像是紧致的,因此从紧致空间 X 到距离空间 Y 的连续映射是闭映射。

这些例子分别处在不同的数学分支,证明方法也不一样,那么现在的问题是,他们之间是否有某种联系?是否可以从拓扑的角度统一地处理这些问题?是否能在拓扑上提出一个充要条件使得逆映射的连续性能够得到保证?

上面的第四条其实就是对空间提出的拓扑条件,可惜的是,紧致性的条件太苛刻,以至于其它三个例子都不能从4 直接推出来。

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