Remove ads
pojęcie matematyczne definiowane jako zbiór ze specjalną rodziną podzbiorów Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Przestrzeń topologiczna – zbiór wraz z wyróżnioną rodziną podzbiorów tego zbioru spełniających odpowiednie własności zwane aksjomatami topologii. Rodzina nazywana jest topologią na zbiorze a jej elementy nazywane są zbiorami otwartymi w [1][2]. Dopełnienia zbiorów otwartych nazywane są zbiorami domkniętymi. W niepustym zbiorze można wyróżnić wiele różnych topologii.
Przestrzeń topologiczna jest metryzowalna, gdy istnieje taka metryka na że każdy niepusty zbiór otwarty w można przedstawić jako sumę pewnej rodziny kul otwartych względem metryki Nie wszystkie przestrzenie topologiczne są jednak metryzowalne – stąd pojęcie przestrzeni topologicznej jest ogólniejsze od pojęcia przestrzeni metrycznej. Intuicyjnie pojęcie topologii umożliwia określenie, czy dany punkt przestrzeni „styka się” z danym podzbiorem lub jest od niego „odizolowany”, czy leży w jego „wnętrzu” lub na „obrzeżach”.
Przestrzenie topologiczne pojawiają się w wielu dziedzinach matematyki takich jak analiza matematyczna, teoria porządków (zob. topologia porządkowa) czy geometria algebraiczna (zob. topologia Zariskiego). Pojęcie topologii jest podstawowym pojęciem topologii ogólnej.
Wiele własności obiektów rozważanych w analizie matematycznej można scharakteryzować za pomocą zbiorów otwartych. Na przykład:
1) Ogólna definicja ciągłości funkcji wymaga odwołania się do zbiorów otwartych, np. funkcja jest ciągła wtedy i tylko wtedy, gdy przeciwobraz dowolnego otwartego zbioru jest otwarty.
2) W przestrzeni metrycznej X kulę otwartą o środku w punkcie x i promieniu r definiuje się jako zbiór punktów odległych od punktu x o mniej niż zadana odległość r. Zbiory otwarte definiuje się wtedy jako sumy mnogościowe (możliwie nieprzeliczalne wielu) takich kul. Np. kulami otwartymi na prostej są przedziały otwarte, np. (2, 7), zaś zbiorami otwartymi – ich sumy. Podzbiory otwarte prostej rzeczywistej mają szereg ważnych własności, m.in.
Powyższe własności zbiorów otwartych prostej uogólniają się na dowolne przestrzenie metryczne.
Okazało się, że niekiedy użyteczniejsza jest sama struktura zbiorów otwartych, a nie metryka, którą zakładano w definicji zbiorów otwartych. Przestrzeń topologiczna stanowi właśnie uogólnienie przestrzeni metrycznej w tym duchu.
Niezmienniki topologiczne to własności przestrzeni topologicznych zachowywane przy przekształceniach zwanych homeomorfizmami; mówiąc nieformalnie, odwzorowania takie rozciągają, skręcają, ale nie rozrywają ani nie sklejają podzbiorów przestrzeni. Przestrzenie, między którymi istnieje homeomorfizm, nazywane są topologicznie równoważne lub homeomorficzne. Aby wykazać, że dwie przestrzenie są różne z punktu widzenia topologii, wystarczy wskazać niezmiennik jednej z nich, którego druga nie ma. Do niezmienników topologicznych należą m.in. zwartość, ośrodkowość i spójność (lecz nie zupełność, która jest niezmiennikiem metrycznym), czy różne aksjomaty oddzielania. Są one obiektem badań topologii ogólnej.
Innym ważnym przekształceniem przestrzeni topologicznych jest słabsza od homeomorfizmu homotopia wskazująca homotopijną równoważność dwóch przestrzeni, przykładami niezmienników jest np. drogowa spójność, jednospójność, izomorficzność (singularnych) grup homologii i grup kohomologii, czy izomorficzność grup podstawowych i wyższych grup homotopii jednospójnych przestrzeni topologicznych. Ich badaniem zajmuje się przede wszystkim topologia algebraiczna.
Niech dany będzie zbiór i niech będzie rodziną podzbiorów zawartych w spełniającą następujące warunki[3]:
Rodzinę nazywa się topologią na zbiorze X lub rodziną zbiorów otwartych.
Elementy rodziny nazywa się zbiorami otwartymi, ich dopełnienia do zbioru – zbiorami domkniętymi.
Zbiory, które są jednocześnie otwarte i domknięte, nazywa się zbiorami otwarto-domkniętymi. Takimi zbiorami są zbiór oraz zbiór pusty.
Parę uporządkowaną ( ) składającą się ze zbioru oraz topologii na nim określonej nazywa się przestrzenią topologiczną.
Uwagi:
A) Warunek (2) definiujący rodzinę implikuje, że do należą dowolne skończone iloczyny zbiorów należących do topologii. Nie można rozszerzyć tego warunku na nieskończone iloczyny, gdyż iloczyny takie mogą dać zbiory np. jednostronnie lub dwustronnie domknięte:
B) Z drugiej strony ograniczenie warunku (3) na skończone operacje uniemożliwiłoby np. poprawne zdefiniowanie wnętrza zbioru.
C) To razem pokazuje, że skuteczność aksjomatyki rodziny zbiorów otwartych wynika z pewnej „asymetrii” aksjomatów.
Niech dana będzie przestrzeń topologiczna Wnętrzem [a] zbioru nazywa się największy (w sensie zawierania) zbiór otwarty zawarty w z kolei domknięcie [a] zbioru to najmniejszy (w sensie zawierania) zbiór domknięty zawierający zbiór tzn.
oraz
Brzegiem (oznaczanym też )[a] zbioru nazywa się różnicę domknięcia i wnętrza tego zbioru (dopełnienie wnętrza względem domknięcia zbioru), tj.
Operacje wnętrza, domknięcia i brzegu są idempotentne. Ponadto operacje wnętrza i domknięcia są do siebie dualne w następującym sensie:
gdzie oznacza dopełnienie zbioru (względem ).
W dowolnym zbiorze można wprowadzić wiele różnych topologii, np.:
Topologie często używane jako kontrprzykłady na stawiane przez matematyków hipotezy, np. miotełka Knastera-Kuratowskiego, płaszczyzna Niemyckiego, prosta Sorgenfreya, przestrzeń Apperta, rogata sfera Alexandera. Opis nietypowych topologii można znaleźć w monografii Steena i Seebacha[4].
Oprócz podanej w sekcji Aksjomaty przestrzeni topologicznej metody definiowania topologii istnieją inne, równoważne metody jej wprowadzania. Oto kilka z nich.
Niech rodzina podzbiorów spełnia warunki:
Istnieje wówczas jedyna topologia zbiorów otwartych na taka, że jej zbiory są dopełnieniami zbiorów rodziny W związku z tym nazywana jest rodziną zbiorów domkniętych.
Elementy należące do nazwane są tutaj zbiorami domkniętymi i są one dopełnieniami zbiorów zdefiniowanych aksjomatyką zbiorów otwartych. Aksjomatyka zbiorów domkniętych jest w gruncie rzeczy zastosowaniem praw De Morgana do aksjomatyki zbiorów otwartych, dlatego dopełnienie nieskończonej sumy zbiorów otwartych „zamienia się” w nieskończony iloczyn ich dopełnień, a dopełnienie skończonego iloczynu zbiorów otwartych „zamienia się” w skończone dodawanie ich dopełnień.
Niech będzie ustalona funkcja spełniająca dla dowolnych następujące warunki:
Funkcję nazywa się operacją wnętrza dla topologii (lub operacją Kuratowskiego).
Niech będzie ustalona funkcja spełniająca dla dowolnych następujące warunki:
Funkcję nazywa się operacją domknięcia dla topologii
Niech rodzina podzbiorów zbioru spełnia warunki:
Istnieje wówczas (jedyna) topologia na taka, że rodzina jest bazą tej topologii.
Przykładowo, jeśli jest zbiorem wszystkich ideałów pierwszych pierścienia to w można określić topologię, której bazą jest zbiór
Innym przykładem może być przestrzeń topologiczna z bazą
Niech jest rodziną podzbiorów zbioru taką, że:
Niech będzie rodziną wszystkich podzbiorów które mogą być przedstawione jako sumy podrodzin rodziny Wówczas jest topologią na i jest systemem (bazą) otoczeń otwartych dla tej topologii.
W danym zbiorze można określić wiele topologii; jeżeli każdy zbiór otwarty w sensie topologii (tzn. element rodziny) należy również do to mówi się, że jest mocniejsza od a topologia jest słabsza od
Rodzina wszystkich topologii na danym zbiorze tworzy kratę zupełną z działaniami
dla
Krata ta na ogół nie jest komplementarna.
Każdy podzbiór przestrzeni topologicznej można wyposażyć w topologię podprzestrzeni, w której zbiory otwarte są przekrojami zbiorów otwartych przestrzeni z danym podzbiorem. Dla dowolnej rodziny indeksowanej przestrzeni topologicznych ich produkt może być wyposażony w topologię produktową, która jest generowana przez przeciwobrazy zbiorów otwartych czynników w przekształceniach rzutów. Przykładowo, w produktach skończonych, baza topologii produktowej składa się ze wszystkich produktów zbiorów otwartych. Dla produktów nieskończonych istnieje dodatkowy warunek, iż w zbiorze otwartym z bazy wszystkie poza skończenie wieloma z jego rzutów są całą przestrzenią.
Przestrzeń ilorazowa zdefiniowana jest następująco: jeśli jest przestrzenią topologiczną, zaś jest dowolnym zbiorem, a jest funkcją suriektywną, to topologią ilorazową na jest rodzina podzbiorów które mają otwarte przeciwobrazy w Innymi słowy topologia ilorazowa jest najbogatszą topologią na w której jest ciągłe. Popularnym przykładem topologii ilorazowej jest zdefiniowanie relacji równoważności na przestrzeni topologicznej Wówczas przekształcenie jest naturalnym rzutem na zbiór klas abstrakcji.
Topologia Vietorisa na zbiorze wszystkich niepustych podzbiorów przestrzeni topologicznej nosząca nazwisko Leopolda Vietorisa, jest generowana przez następującą bazę: dla każdej -tki zbiorów otwartych w konstruuje się bazę składającą się ze wszystkich podzbiorów sumy które mają niepuste przecięcie z każdym
Dla dowolnego obiektu algebraicznego można wprowadzić topologię dyskretną, w której działania algebraiczne są funkcjami ciągłymi. W każdej takiej strukturze, która nie jest skończona, istnieje często topologia naturalna, zgodna z działaniami algebraicznymi w tym sensie, że dalej są one ciągłe. Prowadzi to do takich pojęć jak grupy topologiczne, przestrzenie liniowo-topologiczne, pierścienie topologiczne, czy ciała lokalne.
Następujące przestrzenie i algebry są przypadkami szczególnymi lub ogólnymi przedstawionych wyżej przestrzeni topologicznych:
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.