Скачать .docx | Скачать .pdf |
Курсовая работа: Топологические пространства
§1. Топологические пространства
(предварительные сведения)
1.1. Непрерывные отображения топологических
пространств
Пусть Х и Y топологические пространства.
Определение 1. Отображение f : Х→Y называется непрерывным , если у всякого множества О , открытого в пространстве Y , полный прообраз f –1 (О ) открыт в пространстве Х.
Замечание 1. Для любого подмножества А пространства Y и отображения f : X → Y справедливо следующее равенство:
(1).
Теорема 1.1. Отображение f : X → Y является непрерывным тогда и только тогда, когда у всякого множества F , замкнутого в Y , полный прообраз f – 1 (F ) замкнут в Х.
Доказательство. Необходимость. Пусть отображение f : X → Y является непрерывным, т.е. для любого множества О , открытого в Y , прообраз f –1 (O ) открыт в Х , и пусть F произвольное замкнутое в Y множество. Тогда множество CF открыто в Y , и множество открыто в Х , в силу непрерывности отображения f и равенства (1). Следовательно, множество f –1 (F ) замкнуто в Х .
Достаточность. Пусть для любого множества F , замкнутого в Y , полный прообраз f – 1 (F ) замкнут в Х . Рассмотрим произвольное открытое в Y множество О. Тогда множество CO будет замкнутым в Y . Поэтому замкнутое в Х множество. Следовательно, множество открыто в Х . Таким образом, для любого множества О , открытого в Y , полный прообраз открыт в Х и отображение f : X → Y непрерывное по определению.
1.2. Связность топологических пространств
Определение 4. Топологическое пространство Х называется несвязным , если его можно разбить на два непустых непересекающихся открытых множества:
Х = О 1 О 2 .
Определение 5. Пространство Х называется связным , если такого разбиения не существует.
Заметим, что если несвязное пространство Х разбито на два непустых открытых множества О 1 и О 2 , не имеющих общих точек, то О 1 = CO 2 и O 2 = CO 1 . Поэтому можно дать другое определение связного пространства:
Определение 6. Топологическое пространство Х называется связным , если в нём одновременно открытым и замкнутым множеством является лишь само пространство или пустое множество.
Определение 7. Множество Н в топологическом пространстве Х называется связным , если оно является связным пространством относительно индуцированной топологии.
Теорема 1.2. Для топологического пространства Х следующие условия эквивалентны:
(1) существуют непустые открытые множества О 1 и О 2 , для которых О 1 ∩ О 2 = Æ и О 1 О 2 = Х ;
(2) существуют непустые замкнутые множества F 1 и F 2 , для которых F 1 ∩ F 2 = Æ и F 1 F 2 = Х ;
(3) в Х существует нетривиальное открыто-замкнутое множество G;
(4) существует непрерывная сюръективная функция φ : Х ® {1, 2}.
Доказательство. Из (1) следует (2). Пусть О 1 и О 2 непустые открытые множества, для которых О 1 ∩ О 2 = Æ и О 1 О 2 = Х . Рассмотрим множества F 1 = СО 1 и F 2 = СО 2 . Они являются непустыми замкнутыми множествами, причём F 1 ∩ F 2 = Æ и F 1 F 2 = Х.
Из (2) следует (3). Пусть F 1 и F 2 непустые замкнутые множества, для которых F 1 ∩ F 2 = Æ и F 1 F 2 = Х . Рассмотрим множество G = F 1 Ì Х . Множество F 1 замкнутое по условию и открытое, как дополнение до замкнутого множества F 2 (F 1 = CF 2 ). Поэтому множество G = F 1 является нетривиальным открыто-замкнутым множеством в Х .
Из (3) следует (4). Пусть G нетривиальное открыто-замкнутое множество в Х . Тогда множество Q = CG тоже нетривиальное открыто-замкнутое в Х .
Рассмотрим функцию φ : Х ® {1, 2}, при которой
φ (х ) =
Функция φ является непрерывной и сюръективной, т.к. для любых элементов 1 и 2 множества {1, 2} прообразы их соответственно равны множествам G и Q , открытым в Х .
Из (4) следует (1). Пусть φ : Х ® {1, 2} – непрерывная сюръективная функция и пусть множество M = {1, 2}, т.е. φ (Х ) = М . Множества A = {1} и B = {2} – непустые, непересекающиеся открытые в М и . Функция φ сюръективная, поэтому справедливо следующее равенство:
Х = φ –1 (М ) = φ –1 (А В ) = φ –1 (А ) φ –1 (В ),
причём φ –1 (А ) и φ –1 (В ) непустые непересекающиеся множества. В силу того, что функция φ непрерывная, множества О 1 = φ –1 (А ) и О 2 = φ –1 (В ) непустые, непересекающиеся открытые в Х и Х = О 1 О 2 .
Теорема 1.3. Пусть в топологическом пространстве Х даны два дизъюнктных замкнутых множества F 1 и F 2 и непустое связное множество М, содержащееся в объединении F 1 F 2 . Тогда М содержится только в одном из множеств, входящих в объединение, т.е. либо в F 1 , либо в F 2 .
Доказательство. Пусть F 1 и F 2 дизъюнктные замкнутые в Х множества и непустое связное множество М Í F 1 F 2 . Тогда
М = (М ∩ F 1 ) (M ∩ F 2 ).
Так как множества F 1 и F 2 замкнутые в Х , то множества М ∩ F 1 и M ∩ F 2 замкнутые в М. Но множество М связно, т.е. его нельзя разбить на два непустых непересекающихся замкнутых множества, поэтому одно из множеств, например M ∩ F 2 , пустое. Тогда
М = М ∩ F 1 Í F 1 .
Аналогично доказывается
Теорема 1.4. Если связное множество М содержится в объединении двух дизъюнктных открытых множеств О 1 и О 2 топологического пространства Х, то оно целиком содержится только в одном из множеств, входящих в объединение.
Теорема 1.5. Пусть f : Х→Y непрерывное отображение и f (X ) = Y . Тогда если Х связно, то Y связно.
Доказательство от противного. Предположим, что пространство Y несвязно. Тогда оно разбивается на два непустых открытых дизъюнктных множества
Y = O 1 O 2 .
В силу того, что f непрерывное отображение и f (X ) = Y , прообразы G 1 = f –1 (O 1 ) и G 2 = f –1 (O 2 ) будут непустыми дизъюнктными открытыми множествами, которые в сумме дают всё пространство Х , что противоречит его связности.
1.3. Компактность топологических пространств
Определение 8. Топологическое пространство называется компактным , если всякое покрытие этого пространства открытыми множествами содержит конечное подпокрытие.
Определение 9. Множество А в топологическом пространстве Х называется компактным , если оно компактно в индуцированной топологии как подпространство.
Теорема 1.6. Подмножество А топологического пространства Х компактно тогда и только тогда, когда из любого его покрытия множествами, открытыми в Х, можно выбрать конечное подпокрытие.
Теорема 1.7. Замкнутое подмножество А компактного пространства Х компактно.
Доказательство. В силу теоремы 1.6, достаточно из произвольного покрытия множества А открытыми в Х множествами выбрать конечное подпокрытие. Для этого добавим к этим множествам открытое множество Х \ А и получим открытое покрытие всего пространства Х . В силу компактности пространства Х , из этого покрытия можно выделить конечное подпокрытие, причём мы всегда можно считать, что в это подпокрытие входит множество Х \ А . Пусть, например,
.
Очевидно, что множества образуют искомое конечное подпокрытие множества А .
Определение 10. Топологическое пространство называется хаусдорфовым , если любые две его различные точки обладают непересекающимися окрестностями.
Теорема 1.8. Компактное подмножество А хаусдорфова пространства Х замкнуто.
Теорема 1.9. Непрерывный образ компактного пространства компактен, т.е. если f : Х→Y – непрерывное отображение и пространство Х компактно, то и множество f (Х ) компактно.
Доказательство теорем 1.6 – 1.9 можно найти в [2].
§2. Связность непрерывных отображений
2.1. Определение связности отображения и простейшие свойства
Пусть f : Х→Y – непрерывное отображение. Для открытого в Y множества U и точки y ÎY прообраз f –1 (U ) называется трубкой (над U ), а прообраз f –1 (y ) называется слоем (над точкой y ).
Определение 11. . Непрерывное отображение f : Х→Y называется несвязным над точкой y ÎY , если существует такая окрестность Oy точки y , что трубка f –1 (U ) является несвязной над каждой окрестностью U Í Oy точки y .
Замечание 2. В данном определении достаточно рассматривать только связные окрестности U Í Oy , т.к., если U = U 1 U 2 , где U 1 , U 2 – непустые дизъюнктные открытые в U (а значит и в Y ) множества, то
f –1 (U ) = f –1 (U 1 ) f –1 (U 2 ), f –1 (U 1 ) ∩ f –1 (U 2 ) = Æ,
т.е. f –1 (U ) несвязно автоматически.
Определение 12. Непрерывное отображение f : Х→Y называется связным над точкой y ÎY , если оно не является несвязным над точкой y , т.е. для любой окрестности Oy точки y существует такая связная окрестность U Í Oy точки y , что трубка f –1 (U ) связна.
Определение 13. Непрерывное отображение f : Х→Y называется связным , если оно связно над каждой точкой y Î Y .
Теорема 2.1 (критерии несвязности). Пусть отображение f : Х→Y непрерывно и точка y Î Y . Тогда следующие условия эквивалентны:
(1) отображение f несвязно над точкой y Î Y;
(2) существует такая окрестность Oy точки y Î Y , что каждая трубка f –1 (U ) над окрестностью U Í Oy точки у распадается на два дизъюнктных непустых открытых в этой трубке множества;
(3) существует такая окрестность Oy точки y Î Y , что каждая трубка f –1 (U ) над окрестностью U Í Oy точки у распадается на два дизъюнктных непустых замкнутых в этой трубке множества;
(4) существует такая окрестность Oy точки y Î Y, что в каждой трубке f –1 (U ) над окрестностью U Í Oy точки у существует нетривиальное открыто-замкнутое в этой трубке множество;
(5) существует такая окрестность Oy точки y Î Y , что для каждой трубки f –1 (U ) над окрестностью U Í Oy точки у существует непрерывная сюръективная функция φ : f –1 (U ) ® {1, 2}.
Доказательство. Из (1) следует (2). Пусть непрерывное отображение f : Х→Y несвязное над точкой y Î Y , т.е. существует такая окрестность Oy точки y , что трубка f –1 (U ) является несвязной над каждой окрестностью U Í Oy точки y . Таким образом, трубка f –1 (U ) над окрестностью U Í Oy распадается на два дизъюнктных непустых открытых в этой трубке множества, т.е.
f –1 (U ) = О 1 О 2 , О 1 ∩ О 2 = Æ.
Из (2) следует (3). Пусть трубка f –1 (U ) распадается на два дизъюнктных непустых открытых в этой трубке множества. Тогда, по теореме 1.2, трубка f –1 (U ) распадается на два дизъюнктных непустых замкнутых в этой трубке множества.
Из (3) следует (4). Пусть трубка f –1 (U ) распадается на два дизъюнктных непустых замкнутых в этой трубке множества. Тогда, по теореме 1.2, в трубке f –1 (U ) существует нетривиальное открыто-замкнутое в этой трубке множество.
Из (4) следует (5). Пусть в трубке f –1 (U ) существует нетривиальное открыто-замкнутое в этой трубке множество. Тогда, по теореме 1.2, для трубки f –1 (U ) существует непрерывная сюръективная функция φ : f –1 (U ) ® {1, 2}.
Из (5) следует (1). Пусть существует такая окрестность Oy точки y Î Y , что для трубки f –1 (U ) над некоторой окрестностью U Í Oy существует непрерывная сюръективная функция φ : f –1 (U ) ® {1, 2}. Тогда, по теореме 1.2, трубка f –1 (U ) распадается на два дизъюнктных непустых открытых в этой трубке множества. Отсюда, по определению несвязного над точкой отображения, следует, что отображение f несвязно над точкой y Î Y .
Определение 14. Отображение f : Х→Y называется послойно связным , если каждый слой f –1 (y ), где y Î Y , этого отображения является связным множеством.
Теорема 2.2 (о сохранении связности). Пусть отображения f : X ® Y и g : Z ® Y непрерывные и существует непрерывное сюръективное отображение φ : X ® Z , при котором f = g φ . Тогда, если отображение f связно над точкой y Î Y (слой f –1 (y ) связен), то и отображение g связно над точкой y Î Y (слой g –1 (y ) связен). В частности, если отображнение f связно (послойно связно), то и отображение g связно (послойно связно).
Доказательство. Пусть отображения f : X ®Y связное над точкой y Î Y , тогда для любой окрестности Oy точки y существует связная окрестность U Í Oy точки y , трубка над которой f –1 (U ) связна. Отображение φ непрерывное, значит (по теореме 1.5) образ связного множества f –1 (U ) (связного слоя f –1 (y )) связен, т.е. множество φ (f –1 (U )) (множество φ ( f –1 (y ))) – связное.
Предположим, что отображение g несвязно над точкой y Î Y , т.е. существует такая связная окресность Oy точки y , что трубка g –1 (U ) является несвязной над каждой окрестностью U Í Oy точки y . (Предположим, что слой g –1 (y ) несвязен над точкой y Î Y ).
По условию, f = g φ , следовательно,
f –1 (U ) = (g φ ) –1 (U ) = φ –1 (g –1 (U )).
Отсюда,
φ (f –1 (U )) = φ (φ –1 (g –1 (U ))) =g –1 (U )
(для слоя φ ( f –1 (y )) = g –1 (y )). Получили противоречие, т.к. множество φ ( f –1 (U )) связное (слой φ ( f –1 (y )) связен), а множество g –1 (U ) (слой g –1 (y )) – нет.
Пусть отображнение f связно (послойно связное), тогда, по определению 10 (11), оно связно над каждой точкой y Î Y (каждый слой f –1 (y ) связен). Возьмём произвольную точку y Î Y . Если отображение f связно над этой точкой y Î Y (слой f –1 (y ) связен), то и отображение g связно над этой же точкой (слой g –1 (y ) связен). В силу произвольности выбора точки y , заключаем, что отображение g связно над каждой точкой y Î Y (послойно связно).
2.2. Замкнутые отображения. Связь связности и послойной связности
Определение 15. Отображение f : X → Y называется замкнутым , если для каждого замкнутого множества F Í Х образ f (F ) является замкнутым множеством в Y .
Определение 16. Отображение f : X → Y называется замкнутым над точкой y ÎY , если для всякой окрестности О слоя f – 1 (y ) Ì Х найдётся окрестность Oy точки y , трубка над которой f – 1 (Oy ) содержится в данной окрестности О слоя f – 1 (y ):
f – 1 (y ) Í f – 1 (Oy ) Í О.
Связь между замкнутостью в точке и общей замкнутостью устанавливает следующая
Лемма 2.1. Непрерывное отображение f : X → Y замкнуто тогда и только тогда, когда оно замкнуто над каждой точкой y ÎY .
Доказательство. Необходимость. Пусть отображение f : X → Y замкнуто. Возьмём произвольную точку y Î Y и рассмотрим окрестность О множества f – 1 (y ). Множество F = X \ О замкнуто в Х и F ∩ f –1 (y ) = Æ. Поэтому множество f (F ) замкнуто в Y и точка y Ï f (F ). Значит окрестность Oy = Y \ f (F ) точки y обладает таким свойством f – 1 (Oy ) ∩ F = Æ, следовательно, f – 1 (Oy ) Ì О. Таким образом, отображение f замкнуто над каждой точкой y ÎY в силу того, что точка y взята произвольно.
Достаточность. Пусть непрерывное отображение f замкнуто над каждой точкой y ÎY . Предположим, что образ f (F ) некоторого замкнутого в Х множества F не замкнут в Y . Пусть точка y Î [f ( F ) ] \ f (F ), т.е. принадлежит границе множества f (F ). Множество X \ F является окрестностью множества f – 1 (y ). Следовательно, существует такая окресность Oy точки y , что f – 1 (Oy ) Ì X \ F . Но тогда Oy ∩ f (F ) = Æ и поэтому точка y Ï [f (F )].
Получили противоречие. Отсюда, отображение f замкнуто.
Следующие утверждения указывают на некоторые важнейшие примеры замкнутых отображений.
Предложение 2.1. Непрерывное отображение f : X ® Y компактного пространства X в хаусдорфово пространство Y является замкнутым.
Доказательство. Рассмотрим произвольное множество F , замкнутое в Х . Оно будет компактным (по теореме 1.7). Тогда непрерывный образ f (F ) компактного множества F будет компактен в Y (по теореме 1.9). Пространство Y хаусдорфово, следовательно, множество f (F ) – замкнуто (в силу теоремы 1.8). Таким образом, отображение f является замкнутым.
Следствие 2.1. Биективное непрерывное отображение f : X ® Y компактного пространства X на хаусдорфово пространство Y является гомеоморфизмом.
Доказательство. Рассмотрим произвольное замкнутое подмножество F компактного пространства X . В силу предложения 2.1, образ f (F ) – замкнутое множество. Тогда, по теореме 1.1, отображение f –1 является непрерывным, следовательно, f – гомеоморфизм.ÿ
Предложение 2.2. Пусть отображение f : X ® Y замкнуто над точкой y Î Y и пусть множество Z замкнуто в X. Тогда подотображение g = f | Z : Z ® Y замкнуто над точкой y. В частности, если отображение f замкнуто (над каждой точкой y Î Y), то и отображение g замкнуто.
Доказательство. Возьмём произвольную точку y Î Y и рассмотрим окрестность U Ì Z слоя g –1 (y ). Тогда в Х найдётся открытое множество U ¢ такое, что U = U ¢ Z . Множество O = U ¢ (X \ Z ) будет окрестностью слоя f –1 (y ) . Отображение f замкнутое над точкой y Î Y , поэтому найдётся такая окрестность Oy точки y , что f –1 (Oy ) Ì O . Тогда g –1 (Oy ) Ì Z O = Z U ¢ = U .
В силу произвольности выбора точки y Î Y , можно заключить, что если отображение f замкнутое над каждой точкой y Î Y , то и отображение g замкнутое над каждой точкой y Î Y .
Предложение 2.3. Пусть отображение f : X ® Y замкнуто над точкой y Î T Í Y , где T – произвольное множество в Y . Тогда под-отображение g = f | : f –1 (T ) ® T замкнуто над точкой y . В частности, если отображение f замкнуто (над каждой точкой y Î T ), то и отображение g тоже замкнуто (над каждой точкой y Î T ).
Доказательство. Возьмём произвольную точку y Î T Í Y и некоторую окрестность О слоя g – 1 (y ) = f – 1 (y ), такую что
O = O ' f –1 (T ),
где О ¢ – открытое в Х множество. Так как отображение f замкнутое над точкой y , найдётся такая окрестность O ' y в Y точки y , что f – 1 (O ' y ) Ì О' . Тогда в Т существует такая окрестность Oy точки y , что Oy = Oy ' T , и f – 1 (Oy ) = g – 1 (Oy ) Ì O ' f –1 (T ) = О . Следовательно, отображение g будет замкнуто над y Î Y .
Если отображение f замкнутое над каждой точкой y , то и отображение g будет замкнутым над каждой точкой y .
Установим теперь связь между связными и послойно связными замкнутыми отображениями.
Предложение 2.4. Пусть отображение f : X→ Y замкнуто над точкой y Î Y и слой f –1 (y ) является несвязным множеством. Тогда отображение f несвязное над точкой y. В частности, если отображение f замкнуто и каждый его слой несвязен, то оно несвязное над каждой точкой y Î Y .
Доказательство. Поскольку слой f –1 (y ) является несвязным множеством, то найдутся такие непустые открытые в f –1 (y ) множества О 1 и О 2 , что О 1 ∩ О 2 = Æ и О 1 О 2 = f –1 (y ). Тогда в Х существуют открытые множества Q 1 и Q 2 такие, что
O 1 = Q 1 f –1 (y ), O 2 = Q 2 f –1 (y ).
Рассмотрим замыкание этих множеств и в Х . Их пересечение есть замкнутое множество, и F f –1 (y ) = Æ (т.к. О 1 и О 2 замкнутые в f –1 (y ), как дополнения до открытых). Множество О = (Q 1 Q 2 ) \ F открыто в Х , причём f –1 (y ) Ì О . Для этой окрестности О (в силу замкнутости отображения f ) найдётся такая окрестность Oy точки y , что f –1 (Oy ) Ì О . Пусть G 1 = f –1 (Oy ) Q 1 и G 2 = f –1 (Oy ) Q 2 – открытые в f –1 (Oy ) множества. Так как
Ì Х \ f –1 (Oy ),
то G 1 ∩ G 2 = Æ. Тогда f –1 (Oy ) = G 1 G 2 . Следовательно, трубка f –1 (Oy ) несвязна.
Пусть U Í Oy – произвольная окрестность точки y . Тогда и – дизъюнктные множества, открытые в f –1 (U ), и непустые, т.к. О 1 Ì и О 2 Ì . Следовательно, для любой окрестности U Í Oy трубка f –1 (U ) несвязна. Отображение f несвязно над точкой y по определению.
Если отображение f замкнутое над каждой точкой y Î Y и каждый его слой несвязн, тогда, для произвольной точки y , отображение f будет несвязным над ней, следовательно, и над каждой точкой y Î Y.
Из установленного предложения автоматически вытекает
Следствие 2.2. Пусть отображение f : X→ Y замкнуто над точкой y Î Y и связно над точкой y. Тогда слой f –1 (y ) является связным множеством. В частности, если f замкнутое и связное отображение, то оно послойно связное.
Предложение 2.5. Пусть отображение f : X→ Y замкнутое и послойно связное. Тогда оно связное.
Доказательство. Возьмём произвольную точку y Î Y и предположим, что отображение f несвязно над точкой y . Тогда существует такая окрестность Oy точки y , что трубка f –1 (U ) является несвязной над каждой окрестностью U Í Oy точки y . Зафиксируем некоторую такую связную окрестность U , для которой выполняются следующие условия:
f –1 (U ) = О 1 О 2 , О 1 ∩ О 2 = Æ,
где О 1 и О 2 – непустые открытые в f –1 (U ) множества.
Слой f –1 (y ) связен и f –1 (y ) Ì f –1 (U ), отсюда, f –1 (y ) содержится либо в О 1 , либо в О 2 (по теореме 1.4). Рассмотрим произвольную точку х 1 ÎО 1 . Образ этой точки f (x 1 ) = y 1 Ì U . По условию, слой f –1 (y 1 ) связен и f –1 (y 1 ) Ì О 1 О 2 = f –1 (U ). Поскольку О 1 ∩ О 2 = Æ и х 1 ÎО 1 , следовательно (по теореме 1.4), f –1 (y 1 ) Ì О 1 . (Другими словами, если одна точка слоя принадлежит множеству О 1 , то и весь слой принадлежит этому множеству.)
Отсюда, так как точка х 1 произвольная, то О 1 = f –1 ( f (O 1 )). Аналогично доказывается, что О 2 = f –1 (f (O 2 )).
Отображение f замкнутое, тогда, по теореме 2.3, подотображение g = f : f –1 (Oy ) ® Oy также замкнутое. Таким образом, множества f (O 1 ) = g (O 1 ) и f (O 2 ) = g (O 2 ) будут непересекающимися открыто-замкнутыми в U и U = f (O 1 ) f (O 2 ), т.е. окрестность U несвязна. Это противоречит выбору окрестности U .
Для замкнутых отображений итоговую взаимосвязь между послойной связностью и связностью теперь можно выразить в форме следующей теоремы:
Теорема 2.3. Замкнутое отображение f : X→ Y связно тогда и только тогда, когда оно послойно связно.
(Вытекает из следствия 2.1 и предложения 2.5).
Из последней теоремы и предложений 2.2 – 2.3 получаются такие следствия:
Следствие 2.3. Пусть отображение f : X→ Y замкнутое, Z Í X замкнуто в Х. Подотображение g = f | Z : Z ® Y является связным тогда и только тогда, когда оно послойно связное.
Следствие 2.4. Пусть отображение f : X→ Y замкнутое, T Í Y произвольное множество. Подотображение g = f | : f –1 (T ) ® T является связным тогда и только тогда, когда оно послойно связное.
Рассмотренные здесь свойства будут использованы в следующих пунктах в качестве основы для построения примеров связных и несвязных отображений.
2.3. Связь между связностью пространств
и отображений
Пусть пространство Y = {*} – одноточечное. В этом случае отображение f : X→ Y непрерывно и является связным (несвязным) тогда и только тогда, когда пространство Х связно (несвязно), т.к. трубки и слои над пространством Y совпадают со всем пространством Х .
Этот факт позволяет строить многочисленные примеры связных и несвязных отображений. Для этого достаточно взять связные и несвязные пространства и отображение их в одноточечные множества.
Пример. Рассмотрим отображение f : [-1;1] ® R , для которого f (х ) = 0 при любом х Î [-1;1]. Отображение f связно тогда и только тогда, когда слой f –1 (y ) над точкой y = 0 связен. Но f –1 (0) = [-1;1] – связное множество. Причём, понятия трубки и слоя над точкой y = 0 совпадают, поэтому отображение f является связным и послойно связным.
Если отображение f : [-1;1] [2;3] ® R задано условием f (х ) = 0 для любого х Î [-1;1] [2;3], то оно несвязно (послойно несвязно) над точкой y = 0 в силу несвязности трубки (слоя) f –1 (0) = [-1;1] [2;3].
В рассмотренных примерах пространство Y является связным. Это условие и условие связности отображения f оказались необходимым и достаточным условием для связности пространства Х . Более того, имеет место
Теорема 2.4. Пусть сюръективное отображение f : X→ Y непрерывно и связно. Пространство X является связным тогда и только тогда, когда пространство Y связное.
Доказательство. Необходимость. По теореме 1.5 (§1), если f : Х→Y непрерывное отображение, f (X ) = Y и Х связно, то Y связно.
Достаточность. Пусть пространство Y связно. Предположим, что пространство Х несвязно. Тогда в Х найдутся такие непустые дизъюнктные открытые множества О 1 и О 2 , что О 1 О 2 = Х . Допустим, что найдётся точка y Î . Тогда в любой окрестности слоя f –1 (y ) содержаться как точки множества О 1 , так и точки множества О 2 . С другой стороны, f –1 (y ) Ì f –1 (U ), где трубка f –1 (U ) является связным множеством (в силу связности отображения f над точкой y ) и должна содержаться либо в О 1 , либо в О 2 (по теореме 1.4). Получили противоречие. Следовательно,
= Æ,
т.е. и – непустые дизъюнктные замкнутые множества. Но f (О 1 ) f (О 2 ) = Y , значит,
= f (О 1 ) и = f (О 2 ),
т.е. эти множества открыто-замкнутые. Это противоречит связности пространства Y.
Таким образом, предположение о несвязности топологического пространства Х неверно, а верно то, что требуется доказать.
Другой связи между связностью пространств и связностью отображений может и не быть.
|
|
Примеры. Пусть отображение f : X→ Y непрерывно. Если пространство Х связно, то и его образ f (X ) связен, но отображение f не обязано быть связным. А именно, пусть f : R ® [0; + ¥], и f (х ) = х 2 для любого х Î R (рис. 1). Расмотрим произвольную точку y Î (0; + ¥). Пусть окрестностью точки y является любой интервал U = (a ; b ) Í (0; + ¥), содержащий эту точку. Тогда трубка
f –1 (U ) =
распадается на два непустых непересекающихся открытых в R множества, т.е. f –1 (U ) – несвязное множество. Таким образом, отображение f несвязно по определению.
Можно привести ещё пример такого рода. Пусть Oxy – прямоугольная декартова система координат. Рассмотрим кольцо ω с центром в начале координат и радиусами r = a , R = b (рис. 2). Пусть prX : ω → [– b ; b ] – проекция этого кольца на ось Ox , где prX (x ; y ) = х Î [– b ; b ] для любой точки (x ; y ) Î ω . Возьмём произвольную точку х Î (– a ; a ) Ì [– b ; b ]. Для любой окрестности U Ì (– a ; a ) точки х трубка является несвязной, т.к. состоит из двух частей A и B (рис. 2). Таким образом, проекция prX – является несвязным отображением.
|
|
|
Может быть и наоборот, отображение f связное, а пространства X и Y – несвязные.
Пусть, например, отображение f : R \ {0} ® R \ {0} задано формулой f (х ) = для любого х Î R \ {0} (рис. 3). Возьмём произвольную точку y Î R \ {0}. Для любой окрестности Oy Ì R \ {0} точки y найдётся связная окрестность U Í (0; + ¥) (или U Í (– ¥; 0)), трубка f –1 (U ) над которой связна (т.к. f –1 (U ) содержит часть ветви гиперболы или всю ветвь, которая связна и даже линейно связна).
Пусть Х = [0; 1], Y = [0; 1] [2; 3]. Рассмотрим проекцию : X ´ Y ® Y (рис. 4), где prY (x ; y ) = y Î Y для любой точки (x ; y ) Î X ´ Y . Множества X ´ Y и Y являются несвязными, но проекция – связное отображение (в силу теоремы 2.7, которая будет доказана в пункте 2.4).
Рассмотрим другие примеры связных отображений, связаные с непрерывными числовыми функциями.
Теорема 2.6. Непрерывная функция f : [a ; b ] → R является связной тогда и только тогда, когда она монотонна, т.е. когда для любых точек х, х ¢ Î [a ; b ], где х £ х ¢, выполняется только одно из двух свойств: f (x ) £ f (x ¢ ) либо f (x ) ³ f (x ¢ ).
Доказательство. Необходимость. Функция f является отображением компактного множества в хаусдорфово пространство, поэтому она замкнута (в силу предложения 2.1). Тогда, по теореме 2.3, функция f является послойно связной.
Предположим, что f – не монотонна. Тогда найдутся такие точки х 1 , х 2 , х 3 Î [a ; b ] и х 1 < х 2 < х 3 , для которых выполняется система неревенств:
.
Положим f (x 1 ) = y 1 , f (x 2 ) = y 2 , f (x 3 ) = y 3 и y 3 ³ y 1 (или y 1 ³ y 3 ). Тогда слой f –1 (y 3 ) является связным замкнутым подмножеством прямой y = y 3 (рис. 5), т.е. отрезком. По теореме о промежуточном значении функции, существует точка х ¢ Î [x 1 ; x 2 ) и f (x ¢ ) = y 3 . В силу связности слоя f –1 (y 3 ), отрезок [А ; В ] (см. рис. 5) должен целиком лежать в слое f –1 (y 3 ). Но точка (x 2 ; y 2 ), где x ¢ < x 2 < x 3 , не принадлежит прямой y = y 3 , поэтому слой f –1 (y 3 ) распадается на два непустых непересекающихся замкнутых в f –1 (y 3 ) множества. Это противоречит послойной связности функции f. Следовательно, f – монотонна.
Достаточность. Предположим, что функция f не является связной. Следовательно, f не является послойно связной (по теореме 2.3). Тогда существует такая точка y ¢ Î R , что слой f –1 (y ¢) – несвязен, т.е. f –1 (y ¢) = О 1 О 2 , где О 1 и О 2 – непустые дизъюнктные замкнутые в f –1 (y ¢) множества (рис. 6). Следовательно, найдутся такие точки x 1 Î О 1 , x 2 Î О 2 и точка х , где x 1 < x < x 2 и x Ï О 1 , x Ï О 2 , что
.
Но это противоречит условию монотонности функции f. Значит, функция f является связной. ÿ
Данная теорема утверждает, что связные функции, непрерывные на отрезке, – это либо невозрастающие, либо неубывающие функции.
Этот факт обобщается на случай интервала (a ; b ). Если связная функция f определена на R с конечным числом точек разрыва, то её монотонность в общем виде нарушается, но область определения можно разбить на конечное число промежутков, на каждом из которых функция f будет монотонной.
2.4. Произведения пространств и проекции
Определение 17. Пусть Х и Y – топологические пространства с топологиями tХ и t Y соответственно. Топологическим произведением этих пространств называется множество X ´ Y с топологией tХ ´ Y , образованной семейством всех множеств вида
U ´ V = ,
и их всевозможных объединений, где U Î tХ , V Î t Y и : X ´ Y ® Х , : X ´ Y ® Y – это проекции, причём (x ; y ) = x и (x ; y ) = y. Множества вида U ´ V = называются элементарными (или базисными) открытыми множествами.
Определение 18. Отображение f : X → Y называется открытым , если для каждого открытого множества О Í Х образ f (О ) является открытым множеством в Y .
Лемма 2.2. Проекции : X ´ Y ®Х и : X ´ Y ® Y являются непрерывными открытыми отображениями.
Доказательство. Возьмём произвольное открытое в Х множество G . Прообраз этого множества = G ´ Y по определению топологии произведения открыт в X ´ Y . Тогда проекции и будут непрерывными отображениями.
Пусть точка z Î X ´ Y ; Oz – её произвольная окрестность (рис.7). Найдётся базисная окрестность
|
|
Лемма 2.3. Пусть пространство Х является компактным. Тогда проекция : X ´ Y ® Y является замкнутым отображением.
Доказательство. Возьмём произвольную точку y Î Y и рассмотрим слой = {(x ; y ): x Î X } = X ´ {y}. Он гомеоморфен множеству Х , поэтому является компактным множеством. Пусть О некоторая окрестность слоя . Рассмотрим произвольную точку z = (x ; y ) слоя Ì X ´ Y и её элементарную окрестность
G ,
где Ox – окрестность точки x в X , Oy – окрестность точки y в Y . Так как точка z произвольная, следовательно, такими окрестностями можно покрыть всё множество . Пусть – это открытое покрытие множества . Тогда можно выделить конечное открытое подпокрытие , причём Ì О , которое будем рассматривать как некоторую окрестность слоя . Пусть
U = ,
где О i j = (Gi j ). Тогда
Í Ì О ,
т.е. проекция является замкнутым над точкой у , и, следовательно, замкнутым отображением.
Теорема 2.7. Пусть Х связное топологическое пространство. Тогда проекция : X ´ Y ® Y является связным отображением.
Доказательство. Пусть х – произвольная фиксированная точка пространства Х . Рассмотрим слой = = Y ´ {x }. Он гомеоморфен связному пространству Y , поэтому слой также связен. Предположим, что отображение несвязное над точкой х , т.е. существует такая окресность Ох точки х , что трубка является несвязной для всякой окрестности U Í Ox точки x . Зафиксируем некоторую такую связную окрестность U . Для неё найдутся непустые открытые в множества О 1 и О 2 , что О 1 ∩ О 2 = Æ и О 1 О 2 = . Слой связен и , отсюда, по теореме 2.3, содержится либо в О 1 , либо в О 2 .
Рассмотрим произвольную точку w 1 Î О 1 . Образ этой точки = х 1 Ì U . Слой Ì О 1 О 2 = , и точка w 1 принадлежит множеству О 1 и слою , поэтому Ì О 1 (т.к. О 1 ∩ О 2 = Æ). Поскольку w 1 – произвольная точка множества О 1 , то . Аналогично, .
Множества О 1 и О 2 дизъюнктные открытые в и – открытое отображение. Следовательно, (O 1 ) и (O 2 ) – непустые дизъюнктные открытые в U множества и (O 1 ) (O 2 ) = U . Отсюда окрестность U несвязная, что противоречит выбору окрестности U. Таким образом, отображение связное над точкой х и точка х произвольная, поэтому проекция является связным отображением.
Следствие 2.5. Если пространства Х и Y связные, то и их произведение X ´ Y является связным множеством.
Доказательство. Предположим обратное. Пусть множество X ´ Y несвязное, т.е. X ´ Y = О 1 О 2 , где О 1 и О 2 – непустые дизъюнктные открытые в X ´ Y множества.
Возьмём произвольную точку z Î О 1 . Образ этой точки (z ) = x . Слой Ì О 1 О 2 связен, и точка х Î О 1 , следовательно, Ì О 1 (так как О 1 О 2 = Æ). В силу того, что точка z – произвольная, получим . Аналогично, . Множества О 1 и О 2 – непустые дизъюнктные открытые в X ´ Y , и отображение – открытое, следовательно, множества и – непустые дизъюнктные открытые в Y и = Y . Это противоречит связности Y .
Доказательство можно получить проще. Так как пространство Х связное, то проекция : X ´ Y ® Y является связным и непрерывным отображением (по теореме 2.7 и лемме 2.2). Пространство Y связное. Тогда, по теореме 2.4, X ´ Y – связное множество.
Определение 19. Отображение f : X ® Y называется (замкнуто, открыто) параллельно пространству F , если существует такое топологическое вложение i : X ® Y ´ F пространства Х в топологическое произведение Y ´ F , что (множество i (X ) соответственно замкнуто, открыто в Y ´ F и)
f = prY i ,
где prY : Y ´ F ® Y – проекция на сомножитель Y .
Теорема 2.8. Пусть отображение f : X ® Y послойно связное и параллельно пространству F . Тогда отображение f связное.
Доказательство. Отождествим Х с i (X ). Тогда f можно отождествить с подотображением проекции prY : Y ´ F ® Y . Пусть y Î Y – фиксированная точка и Oy – её произвольная окрестность. Предположим, что для любой связной окрестности U Í Oy точки у трубка f –1 (U ) несвязна. Положим f –1 (U ) = О 1 О 2 , где О 1 , О 2 – непустые дизъюнктные открытые в f –1 (U ) множества и U Í Oy – некоторая фиксированная связная окрестность точки y .
Пусть х Î f –1 (y ). Тогда х Î О 1 или х Î О 2 . Допустим х Î О 1 . Найдётся такое открытое в Y ´ F множество G 1 , что О 1 = G 1 X . По определению топологии, в Y ´ F найдутся окрестность Vx Í U точки y и открытое в F множество W такие, что
х Î = Vx ´ W Í G 1 .
Так как множество f –1 (y ) – связное по условию, то х Î f –1 (y ) Í О 1 .
Пусть х ¢ – произвольная точка из (Vx ´ W ) Х . Тогда х ¢ Î О 1 и
f –1 (f (x ¢ )) Í О 1 .
Следовательно, О 1 содержит всякий слой f –1 (y ¢ ), где y ¢ Î Vx (в силу послойной связности f ).
Таким образом, для каждой точки х Î О 1 найдётся окрестность Vx Í U точки f (x ), что х Î f –1 (Vx ) Í О 1 . Поэтому
.
Следовательно, множество является окрестностью точки y и O 1 = f –1 (V 1 ). Аналогично устанавливается, что O 2 = f –1 (V 2 ), где V 2 непустое открытое в Y множество. Откуда, U = V 1 V 2 , что противоречит связности U . Значит, отображение f связное над точкой y .
Пример. Если отображение f : X ® Y связное над точкой y , то слой f –1 (y ) необязательно является связным множеством. Например, пусть f = prY : X ´ Y ® Y – проекция на Y , где Х = Y = [0; 1] (рис. 8). Рассмотрим точку y = Î Y и слой f –1 (y ) над точкой y . Пусть точка z = (x ; y ) Î X ´ Y , где х = , y = . Тогда слой f –1 (y ) \ {z } – несвязное множество. Отображение f = prY при этом останется связным, поскольку для любой связной окрестности U точки y трубка f –1 (U ) – линейно связна, следовательно, трубка f –1 (U ) – связна.
2.5. Послойное произведение отображений
Определение 20. Пусть f : X ® Y и g : Z ® Y – непрерывные отображения. Послойным произведением f ´ g этих отображений называется отображение h : Т ® Y , где
и
.
Из данного определения вытекает смысл названия такого определения:
для любой точки y Î Y .
Таким образом, в силу следствия 2.5, становится очевидной следующая теорема:
Теорема 2.9. Пусть отображения f : X ® Y и g : Z ® Y послойно связные. Тогда произведение h = f ´ g также является послойно связным отображением.
Лемма 2.4. Пусть f, g : X ® Y непрерывные отображения в хаусдорфово пространство Y. Тогда множество Т = {x Î X : f (x ) = g (x )} является замкнутым в Х.
Доказательство. Докажем, что множество Х \ Т открытое, т.е. для любой точки x Î X найдётся такая окрестность Ох точки х , что Ох Ì Х \ Т .
Возьмём произвольную точку x Î X \ Т . Тогда f (x ) = y 1 Î Y , g (x ) = y 2 Î Y . Так как пространство Y хаусдорфово, то существуют окрестности О y 1 точки y 1 и О y 2 точки y 2 такие, что
О y 1 О y 2 = Æ. {*}
Отображения f и g – непрерывные, поэтому множества f –1 (Oy 1 ), g –1 (Oy 2 ) – открытые в Y и x Î f –1 (Oy 1 ), x Î g –1 (Oy 2 ). Рассмотрим окрестность Ох = f –1 (Oy 1 ) g –1 (Oy 2 ) точки х . Предположим, что Ох Т ≠ Æ, т.е. существует такая точка х 1 Î Ох , что f (x 1 ) = g (x 1 ) = y . Но точка y должна принадлежать как окрестности Oy 1 , так и окрестности Oy 2 , что противоречит условию {*}. ÿ
Лемма 2.5. Если пространства Х и Y компактные, то и их произведение X ´ Y является компактным множеством.
Доказательство. Пусть х – произвольная фиксированная точка пространства Х , и пусть Ω = – открытое покрытие пространства X ´ Y . Рассмотрим слой
= Y ´ {x }.
Он гомеоморфен связному пространству Y , поэтому – компактное множество. Тогда из открытого покрытия
Ω (х ) = Í Ω ,
(где U a (x ) множество, содержащее некоторые точки слоя над точкой x ) слоя можно выбрать конечное открытое подпокрытие ω (х ) = . Объединение
U (x ) = (x ) (**)
есть открытое множество, содержащее слой , и prX – замкнутое отображение (в силу компактности пространства Y и леммы 2.3). Следовательно, существует такая окрестность Ох точки х , что Í U (x ). Семейство {О x : x Î X } образует открытое покрытие пространства X . В силу компактности X , найдется конечное подпокрытие {Oxi : i = 1,.., k }. Тогда семейство ω = образует конечное подпокрытие пространства X ´ Y . ÿ
Теорема 2.10. Пусть f : X ® Y и g : Z ® Y – связные отображения компактных пространств X и Z в хаусдорфово пространство Y. Тогда произведение h = f ´ g также является связным отображением компактного пространства Т.
Доказательство. По определению послойного произведения, (, – непрерывные отображения в хаусдорфово пространство Y ) и . Тогда, по лемме 2.4, множество Т является замкнутым в пространстве Х ´ Z , которое, по лемме 2.5, является компактным. Следовательно, множество Т компактно (по теореме 1.7), и его образ h (T ) при непрерывном отображении h замкнут в Y (в силу теорем 1.9 и 1.8). Отсюда, отображение h является замкнутым.
Таким образом, в силу теорем 2.9 и 2.3, отображение h = f ´ g является связным.
Следующая теорема указывает, в каком случае отображения могут быть параллельными пространству Х . Для её доказательства понадобится
Лемма 2.6. Если пространства Х и Y хаусдорфовы, то и их произведение X ´ Y является хаусдорфовым множеством.
Доказательство. Пусть z 1 и z 2 – произвольные фиксированные точки пространства X ´ Y . Рассмотрим точки x 1 = prX (z 1 ), x 2 = prX (z 2 ) и y 1 = prY (z 1 ), y 2 = prY (z 2 ) пространств X и Y соответственно. Точки z 1 и z 2 различны, следовательно, x 1 ¹ x 2 или y 1 ¹ y 2 . Пусть y 1 ¹ y 2 . Тогда, по определению хаусдорфова пространства, в Y существуют такие окрестности Oy 1 и Oy 2 точек y 1 и y 2 соответственно, что Oy 1 Oy 2 = Æ. Проекция prY является непрерывным отображением, поэтому множества и – открытые в X ´ Y и непересекающиеся. Причём, z 1 Î и z 2 Î . Следовательно, пространство X ´ Y – хаусдорфово по определению.
Теорема 2.11. Непрерывное отображение f : X ® Y компактного хаусдорфова пространства Х в хаусдорфово пространство Y является замкнуто параллельным пространству Х.
Доказательство. Рассмотрим послойное произведение h = = f ´ i : T ® Y отображений f : X ® Y и i : Y ® Y , где i – тождественное отображение и множество Т = {(x ; y ): f prX = i prY = prY }. По лемме 2.4, множество Т замкнуто в X ´ Y . Пусть (x 1 ; y 1 ) Î T – произвольная фиксированная точка. Тогда prY (x 1 ; y 1 ) = y 1 = f prX (x 1 ; y 1 ). Отсюда, для точек (x 1 ; y 1 ), (x 2 ; y 2 ) Î Т выполняется неравенство prX (x 1 ; y 1 ) ¹ prX (x 2 ; y 2 ) при х 1 ¹ х 2 . Следовательно, непрерывное отображение prX : Т ® Х биективно. Но пространство T компактно как замкнутое подможество компактного пространства X ´ f (X ) Í X ´ Y (в силу теорем 1.7, 1.9 и леммы 2.5). Поэтому отображение g = prX : T ® X по следствию 2.1 является гомеоморфизмом, т.е. Т Х , и f = prY . Тогда в качестве топологического вложения можно рассматривать гомеоморфизм d = g –1 : X ® T . Таким образом, множество d (Х ) = Т замкнуто в X ´ Y , и f = prY d . Отождествим множества Т и Х с помощью d. . Тогда отображение f замкнуто параллельно пространству Х по определению.
Литература.
1. Александров П.С. Введение в теорию множеств и общую топологию. – М.: «Наука»,1977.
2. Александров П.С. Геометрия.
3. Вернер А.Л., Кантор Б.Е. Элементы топологии и дифференциальной геометрии. – М.: «Просвещение», 1985.
4. Мусаев Д.К., Пасынков Б.А. О свойствах компактности и полноты топологических пространств и непрерывных отображений. – Ташкент: издательство «Фан» Академии наук республики Узбекистан, 1994.
5. Рубанов И.С. Элементы теоретико-множественной топологии для студентов пединститута. – Киров, 1990.