刻畫幾何圖形拓撲性質的一種數。通俗地說,它是確定整個圖形中點的位置所需要的座標(或參數)的個數。直線上的點由一個座標確定,故直線的維數為1。平面上的點由兩個座標確定,故平面的維數為2。同理,日常所指的空間,其維數為3。當整個圖形為一個點時,點的維數假設為0。在19世紀前,幾何學僅從事三維或低於三維圖形的研究。19世紀以來,更高維空間的概念開始被接受。例如,日常的三維空間中點的座標是(xyz),再加上時間坐標t,就得到點(xyzt),它們組成的空間就是最簡單的四維空間。

  抽象空間的維數 嚴格地講,上面關於維數的定義是含混而帶描述性的。1890年,G.皮亞諾令人吃驚地構造瞭一條能填滿正方形的“曲線”(見拓撲學)。若按上面的說法,正方形的維數就會是1,這是不合情理的。20世紀初,隨著處理抽象空間的拓撲學的發展,維數的嚴格定義顯得更必要瞭。1912年,(J.-)H.龐加萊指出,若在曲線上標出一點,曲線通常就被分離成兩段,螞蟻從其中一段出發爬行,不接觸該點就無法進入另一段。因為曲線由點(0維)分離,故曲線的維數大於0而為1。曲面就不能由點分成這樣兩塊,但可以用曲線分離,從而曲面的維數應高於曲線的維數。此外,立方體不能被點或曲線分離,但可以用曲面分離,故立方體的維數為3。基於這種歸納的想法,20世紀初L.E.J.佈勞威爾以及稍後的E.切赫給出瞭維數的嚴格定義,即大歸納維數。K.門傑及∏.C.烏雷松把上述思想局部化以後,得到另一種維數定義,稱為小歸納維數。H.L.勒貝格發現,可以用充分小的矩形把正方形覆蓋起來,使得每一點至多屬於三個小矩形,且至少有三個要相交。n維空間的方體也有類似的特性,不過這時每一點至多屬於n+1個小方體。這個事實就導致E.切赫定義瞭第三種維數,即覆蓋維數(也稱勒貝格維數)。∏.C.亞歷山德羅夫定義瞭第四種維數,即同調維數。

  小歸納維數 空間x的小歸納維數記作 indx。若ø為空集,令indø=-1,若對於x的每一點x以及它的開鄰域U,存在x的另一個鄰域V,使得VU且ind(V\V)≤n-1,則稱indxn。若indxnindxn-1不成立,則稱indx=n

  大歸納維數 空間x的大歸納維數記作Indx。同樣,規定Indø=-1。若對x的任意閉集A以及它的開鄰域U,存在A的開鄰域V,使得VU且Ind(V-V)≤n-1,則定義Indxn。若IndxnIndxn-1不成立,則稱Indx=n

  覆蓋維數 若空間x的任意有限開覆蓋有其階數小於n+2的有限開覆蓋加細則定義diтxn。如果這時dimxn-1不成立,則稱diтx=n。所謂覆蓋的階數小於n是指該覆蓋中任意n個元之交為空集。

  同調維數與上同調維數 設x是緊豪斯多夫空間,G是可換群,定義x的同調維數Dh(xG)≤n,如果x關於任意閉集An+1維切赫相對同調群Ȟn+1(xA;G)=0,這時若Dh(xG)≤n-1不成立,則稱Dh(xG)=n。用切赫相對上同調群Ȟn+1(xA;G)來代替Ȟn+1(xA;G),則得到x的上同調維數Dc(xG)的定義。

  維數論 維數論中最基本的問題,是研究如何對每個空間指定一個確定的整數(即維數),使得n維歐氏空間的維數為n;若Y是空間x的子空間,則Y的維數不超過x的維數;同胚的空間具有相同的維數。上述維數的定義,基本上都符合這些要求。維數論中另一個重要課題是比較各種維數的定義。對可分度量空間而言,前三種定義是等價的。若Y是度量空間,則

   indxIndx=dimx,而indx可能與此不等。對於緊致度量空間,如果dimx有限,則dimx=Dc(x;Z)=Dh(xK),這裡Z是整數加群,K是模1實數加群。此外,所謂維數的和定理、單調性定理、積定理的研究都是維數論的傳統課題。特別是無限維空間的維數論在近年得到重視,已開始成為維數論的中心課題。

  

參考書目

 W.Hurewicz and H.Wallman,Dimension Theory,Princeton Univ.Press,Princeton,1948.