Topologia spaco

En matematiko, aparte en topologio, topologia spaco estas strukturo kiu ebligas la formalan difinon de konceptoj de konverĝo, konekteco, kaj kontinueco.

Difino

Topologia spaco estas aro X kaj ankaŭ T, kolekto de subaroj de X, kontentiganta jenajn aksiomojn:

1. La malplena aro kaj X estas en T.
2. Ankaŭ la kunaĵo de ĉiu kolekto de aroj en T estas en T.
3. Ankaŭ la komunaĵo de ĉiu finia kolekto de aroj en T estas en T.

La kolekto T estas nomata kiel topologio sur X. La eroj de X estas kutime nomataj kiel punktoj, kvankam ili povas esti iuj matematikaj objektoj. Topologia spaco en kiu la punktoj estas funkcioj estas nomata kiel funkcia spaco. La aroj en T estas la malfermitaj aroj, kaj iliaj komplementoj en X estas fermitaj aroj. Ankaŭ, aro povas esti nek fermita nek malfermita; ankaŭ, aro povas esti samtempe fermita kaj malfermita (fermita-malfermita aro).

Ekzemploj

Kvar ekzemploj de topologioj kaj du ekzemploj de tio kio ne estas topologio sur la tri-era aro {1, 2, 3}. La suba maldekstra ekzemplo ne estas topologio ĉar la kunaĵo {2, 3} de {2} kaj {3} forestas; la suba dekstra ekzemplo ne estas topologio ĉar la komunaĵo {2} de {1, 2} kaj {2, 3} estas forestas.

• X = {1, 2, 3, 4} kaj kolekto T = {{}, {1, 2, 3, 4}} de du subaroj de X formas maldiskretan topologion.
• X = {1, 2, 3, 4} kaj kolekto T = {{}, {2}, {1, 2}, {2, 3}, {1, 2, 3}, {1, 2, 3, 4}} de ses subaroj de X formas la alian topologion.
• X = Z, la aro de entjeroj kaj kolekto T egala al ĉiuj finiaj subaroj de la entjeroj plus Z mem ne estas topologio. Ekzemple, la kunaĵo super ĉiuj finiaj aroj ne enhavantaj nulon estas malfinia kaj ne egalas al Z, kaj tiel ne estas en T, sed ĝi devus esti en T laŭ la 2-a aksiomo.

Ekvivalentaj difinoj

Estas multaj la aliaj ekvivalentaj manieroj difini topologian spacon (karakterigadoj de kategorio de topologiaj spacoj). En aliaj vortoj, ĉiu el jenaj difinoj difinas kategorion ekvivalentan al la kategorio de topologiaj spacoj kiel estas pli supre donite.

Per la demorganaj leĝoj, la aksiomaj difinantaj malfermitajn arojn pli supre iĝas aksiomojn difinantajn fermitajn arojn:

1. La malplena aro kaj X estas fermitaj.
2. La komunaĵo de ĉiu kolekto de fermitaj aroj estas ankaŭ fermita.
3. La kunaĵo de ĉiu paro de fermitaj aroj estas ankaŭ fermita.

Uzante ĉi tiujn aksiomojn, alia maniero difini topologian spacon estas kiel aro X kaj ankaŭ kolekto T de subaroj de X kontentigantaj jenajn aksiomojn:

1. La malplena aro kaj X estas en T.
2. Ankaŭ la komunaĵo de ĉiu kolekto de aroj en T estas en T.
3. Ankaŭ la kunaĵo de ĉiu paro de aroj en T estas en T.

Sub ĉi tiu difino, la aroj en la topologio T estas la fermitaj aroj, kaj iliaj komplementoj en X estas la malfermitaj aroj.

Alia maniero difini topologian spacon estas per la fermaĵaj aksiomoj de Kuratowski, kiuj difinas la fermitajn arojn kiel la fiksaj punktoj de operatoro sur la aro de ĉiuj subaroj de X.

Najbaraĵo de punkto x estas ĉiu aro kiu enhavas malfermita aro enhavantan x. La najbaraĵa sistemo je x konsistas de ĉiuj najbaraĵoj de x. Topologio povas esti difinita per aro de aksiomoj koncernantaj ĉiujn najbaraĵajn sistemojn.

Reto estas ĝeneraligo de la koncepto de vico. Topologio estas plene difinita se por ĉiu reto en X estas donita aro de ĝiaj akumuliĝaj punktoj.

Kontinueco de funkcioj

Funkcio inter topologiaj spacoj estas kontinua se la inversa bildo de ĉiu malfermita aro estas malfermita. Ĉi tio pavas esti komprenita kiel postulo de foresto de rompoj aŭ apartigoj en la funkcio. Anstataŭigi nocion "inversa bildo" per (ne inversa) "bildo" ĉi tie ne eblas, la kontraŭekzemplo estas konduto de funkcio ĉirkaŭ ekstremumo; ekzemple por funkcio f(x)=x², bildo de malfermita aro (-1, 1) estas aro [0, 1) kiu ne estas malfermita; ĉi tiu ekzemplo uzas la norman topologion sur R, vidu sube.

Homeomorfio estas ensurĵeto (reciproke unuvalora surĵeto) kiu estas kontinua kaj kies retroĵeto estas ankaŭ kontinua. Du spacoj estas homeomorfaj se ekzistas homeomorfio inter ili. De vidpunkto de topologio, homeomorfaj spacoj estas esence identaj.

Topologioj de kutimaj spacoj

Estas multaj manieroj difini topologion sur la aro de reelaj nombroj R. La norma topologio sur R estas generita per la malfermitaj intervaloj. La aro de ĉiuj malfermitaj intervaloj formas bazon por la topologio, kun signifo ke ĉiu malfermita aro estas kunaĵo de iu kolekto de aroj de la bazo. Ĉi tio signifas ke aro estas malfermita se tie ekzistas malfermita intervalo de ne nula radiuso ĉirkaŭ ĉiu punkto en la aro. Pli ĝenerale, al la eŭklidaj spacoj Rⁿ povas esti donita topologio. En la kutima topologio sur Rⁿ la bazaj malfermitaj aroj estas la malfermitaj pilkoj. Simile, C kaj Cⁿ havas norma topologion en kiu la bazaj malfermitaj aroj estas malfermitaj pilkoj.

Al ĉiu metrika spaco povas esti donita metrika topologio, en kiu la bazaj malfermitaj aroj estas la malfermitaj pilkoj difinis per la metriko. Ĉi tio estas la norma topologio sur ĉiu normigita vektora spaco. Sur finidimensia vektora spaco ĉi tiu topologio estas la sama por ĉiuj normoj.

Al multaj aroj de operatoroj en funkcionala analitiko estas donitaj topologioj kiuj estas difinitaj per precizigo kiam aparta vico de funkcioj konverĝas al la nula funkcio.

Ĉiu sternaĵo havas naturan topologion pro tio ke loke ĝi estas la sama kiel eŭklida spaco. Simile, ĉiu simplaĵo kaj ĉiu simpleca komplekso heredas naturan topologion de Rⁿ.

Spaco de Sierpiński estas la plej simpla ne-bagatela, ne-diskreta topologia spaco.

Ekzistas multaj topologioj sur ĉiu donita finia aro. Ĉi tiaj spacoj estas finiaj topologiaj spacoj. Finiaj spacoj estas ofte uzataj por provizi ekzemplojn aŭ kontraŭekzemplojn al konjektoj pri topologiaj spacoj ĝenerale.

Al ĉiu malfinia aro povas esti donita la kune finia topologio en kiu la malfermitaj aroj estas la malplena aro kaj la aroj kies komplementoj estas finia. Ĉi tiu estas la plej malgranda T₁ topologio sur ĉiu malfinia aro.

Al nekalkulebla aro povas esti donita la kunkalkulebla topologio, en kiu aro estas malfermita se ĝi estas malplena aŭ se ĝia komplemento estas kalkulebla. Ĉi tiu topologio servas kiel utila kontraŭekzemplo en multaj situacioj.

Al la reela linio povas ankaŭ esti donita la suba limesa topologio. En ĝi la bazaj malfermitaj aroj estas la duon-malfermitaj intervaloj [a, b). Ĉi tiu topologio sur R estas severe pli fajna ol la eŭklida topologio difinis pli supre; vico konverĝas al punkto en ĉi tiu topologio se kaj nur se ĝi konverĝas de pli supre en la eŭklida topologio. Ĉi tiu ekzemplo montras ke aro povas havi multajn malsamajn topologiojn.

Se Γ estas numero, tiam al aro Γ = [0, Γ) povas esti donita la orda topologio generita per la intervaloj (a, b), [0, b) kaj (a, Γ) kie a kaj b estas eroj de Γ.

Topologiaj konstruoj

Al ĉiu subaro de topologia spaco povas esti donita la subspaca topologio en kiu la malfermitaj aroj estas la komunaĵoj de la malfermitaj aroj de la pli granda spaco kun la subaro. Por ĉiu indeksita familio de topologiaj spacoj, al ilia kartezia produto povas esti donita la produta topologio, kiu estas generita per la inversaj bildoj de malfermitaj aroj de la faktoroj sub la projekciaj bildigoj. Ekzemple, en finiaj produtoj, bazo por la produta topologio konsistas el ĉiuj produtoj de malfermitaj aroj. Por malfiniaj produtoj, estas la aldona bezono ke ĉe baza malfermita aro, ĉiuj krom finie multaj el ĝiaj projekcioj estas la tuta spaco.

Kvocienta spaco estas difinita kiel sekvas: se X estas topologia spaco kaj Y estas aro, kaj se f : X → Y estas surĵeto (funkcio), tiam la kvocienta topologio sur Y estas la kolekto de subaroj de Y kiuj havas malfermitajn inversajn bildojn sub f. En aliaj vortoj, la kvocienta topologio estas la plej fajna topologio sur Y por kiu f estas kontinua. Komuna ekzemplo de kvocienta topologio estas kiam ekvivalentrilato estas difinita sur la topologia spaco X. La mapo f estas tiam la natura projekcio sur la aro de ekvivalentklasoj.

Klasifiko de topologiaj spacoj

Topologiaj spacoj povas esti larĝe klasifikita, supren ĝis homeomorfio, per iliaj topologiaj propraĵoj. Topologia propraĵo estas propraĵo de spaco kiu estas invarianta sub homeomorfioj. Por pruvi ke du spacoj estas ne homeomorfa ĝi sufiĉas trovi topologian propraĵon kiu estas ne komunigita per ili. Ekzemploj de tiaj propraĵoj estas konekteco, kompakteco, kaj diversaj apartigaj aksiomoj.

Rilatantaj spacoj

Jenaj spacoj kaj algebroj estas pli specialaj aŭ pli ĝeneralaj ol la topologiaj spacoj diskutitaj pli supre.

• Apudeca spaco provizi nocio de proksimeco de du aroj.
• Metrika spaco enhavas metrikon, kiu preciza nocio de distanco inter du punktoj.
• Uniforma spaco aksiomigas ekziston de ordigo de distancoj inter paroj de malsamaj punktoj.
• Koŝia spaco aksiomigas eblecon provi ĉu reto estas koŝia reto. Koŝia spaco donas ĝeneralan eblecon studi kompletigojn.
• Konverĝa spaco enhavas iujn el la trajtoj de konverĝo de filtriloj.
• σ-algebro estas konstruita surbaze de nocio de mezurebla aro.

Vidu ankaŭ

• Algebra topologio
• Apartigaj aksiomoj
• T₀ spaco
• T₁ spaco
• Spaco de Hausdorff (T₂)
• Spaco plene de Hausdorff
• Spaco de Urysohn
• T₃ spaco
• Spaco de Tychonoff
• Normala spaco de Hausdorff (T₄)
• Plene normala spaco de Hausdorff (T₅)
• Perfekte normala spaco de Hausdorff (T₆)
• Topologia vektora spaco

Eksteraj ligiloj

• Topologia spaco en PlanetMath.