РефератыМатематикаМеМетризуемость топологических пространств

Метризуемость топологических пространств

Министерство образования и науки Российской Федерации


Вятский государственный гуманитарный университет


Математический факультет


Кафедра математического анализа и МПМ


Дипломная работа


Метризуемость топологических пространств


Выполнила


студентка 5 курса


математического факультета


Побединская Татьяна Викторовна


_______________________________


(подпись)


Научный руководитель


к.ф.-м.н., доцент кафедры математического анализа и МПМ Варанкина Вера Ивановна


_______________________________


(подпись)


Рецензент


_______________________________


(подпись)


Допущена к защите в ГАК


Зав. кафедрой______________________________к.п.н., доцент Крутихина М.В.


(подпись)


«_____» _______________2004 г.


Декан факультета_________________________к.ф.-м.н., доцент Варанкина В.И.


(подпись)


«_____» _______________2004 г.


КИРОВ


2004



Содержание


Введение. 3


Глава I. Основные понятия и теоремы.. 4


Глава II. Свойства метризуемых пространств. 10


Глава III. Примеры метризуемых и неметризуемых пространств. 21


Библиографический список. 24








































Введение

Тема дипломной работы – «Метризуемость топологических пространств».


В первой главе работы вводятся основные определения, связанные с понятиями метрического и топологического пространств.


Во второй главе рассматриваются и доказываются следующие свойства метризуемых пространств:


1. Метризуемое пространство хаусдорфово.


2. Метризуемое пространство нормально.


3. В метризуемом пространстве
выполняется первая аксиома счетности.


4. Метризуемое пространство совершенно нормально.


5. Для метризуемого пространства следующие условия эквивалентны:


1) сепарабельно,


2) имеет счетную базу,


3) финально компактно.


6. Любое метризуемое топологическое пространство может быть метризовано ограниченной метрикой.


7. Произведение счетного числа метризуемых пространств метризуемо.


В третьей главе рассматриваются примеры метризуемых и неметризуемых пространств.










Глава
I. Основные понятия и теоремы

Определение.

Метрическим пространством
называется пара , состоящая из некоторого множества (пространства) элементов (точек) и расстояния, то есть однозначной неотрицательной действительной функции , определенной для любых и из и удовлетворяющей трем условиям:


1) (аксиома тождества);


2) (аксиома симметрии);


3) (аксиома треугольника).


Определение.

Пусть – некоторое множество. Топологией в
называется любая система его подмножеств , удовлетворяющая двум требованиям:


1. Само множество и пустое множество принадлежат .


2. Объединение любого (конечного или бесконечного) и пересечение любого конечного числа множеств из принадлежат .


Множество с заданной в нем топологией , то есть пара , называется топологическим
пространством.


Множества, принадлежащие системе , называются открытыми.


Множества , дополнительные к открытым, называются замкнутыми
множествами топологического пространства .


Определение.

Совокупность
открытых множеств топологического пространства называется базой
топологического пространства , если всякое открытое множество в может быть представлено как объединение некоторого числа множеств из .


Теорема 1.

Всякая база в топологическом пространстве обладает следующими двумя свойствами:


1)
любая точка содержится хотя бы в одном ;


2)
если содержится в пересечении двух множеств и из , то существует такое , что .



Определение.

Открытым шаром или окрестностью точки радиуса
в метрическом пространстве называется совокупность точек , удовлетворяющих условию . При этом – центр шара, – радиус шара.


Утверждение 1.

Для любого , принадлежащего -окрестности точки , существует окрестность радиуса , включенная в -окрестность точки .


Доказательство.
Выберем в качестве :.


Достаточно доказать для произвольного импликацию . Действительно, если , то


Получаем, что , что и требовалось доказать.


Теорема 2.

Совокупность всех открытых шаров образуют базу некоторой топологии.


Доказательство.
Проверим свойства базы (теорема 1).


· Свойство первое очевидно, так как для любого выполняется для любого .


· Проверим второе свойство.


Пусть , и , тогда, воспользовавшись утверждением 1, найдем такое , что Теорема доказана.




Определение.

Топологическое пространство метризуемо
, если существует такая метрика на множестве , что порожденная этой метрикой топология совпадает с исходной топологией пространства .


Аксиомы отделимости



Аксиома
. Для любых двух различных точек топологического пространства окрестность хотя бы одной из них не содержит другую.



Аксиома
. Каждая из двух произвольных точек пространства имеет окрестность, не содержащую вторую точку.


Предложение.

является - пространством тогда и только тогда, когда для любого множество замкнуто.


Доказательство.


Необходимость.
Пусть . Так как является -пространством, то существует окрестность , не содержащая .


Рассмотрим


Докажем, что . Применим метод двойного включения:


· Очевидно, что по построению множества .


· .


Пусть отсюда для любого отличного от существует окрестность , значит , тогда .


Множество - открыто, как объединение открытых множеств.


Тогда множество - замкнуто, как дополнение открытого множества.


Достаточность.
Рассмотрим . По условию замкнутые множества. Так как , то . Множество -открыто как дополнение замкнутого и не содержит . Аналогично доказывается существование окрестности точки , не содержащей точку


Что и требовалось доказать.


Аксиома
( аксиома Хаусдорфа). Любые две точки пространства имеют непересекающиеся окрестности.


Аксиома .
Любая точка и не содержащее ее замкнутое множество имеют непересекающиеся окрестности.


Определение.

Пространства, удовлетворяющие аксиомам () называются -пространствами
(-пространства называют также хаусдорфовыми пространствами
).


Определение.

Пространство называется нормальным
или -пространством
, если оно удовлетворяет аксиоме , и всякие его два непустые непересекающиеся замкнутые множества имеют непересекающиеся окрестности.


Определение.

Система окрестностей называется определяющей системой окрестностей точки
, если для любой окрестности точки найдется окрестность из этой системы, содержащаяся в .


Определение.

Если точка топологического пространства имеет счетную определяющую систему окрестностей, то говорят, что в этой точке выполняется первая аксиома счетности
. Если это верно для каждой точки пространства, то пространство называется пространством с первой аксиомой счетности.



Определение.

Две метрики и на множестве называются эквивалентными
, если они порождают на нем одну и ту же топологию.


Пример.
На плоскости для точек и определим расстояние тремя различными способами:


1. ,


2. ,


3. .


· Введенные расстояния являются метриками. Проверим выполнимость аксиом метрики для введенных расстояний.


1. 1)



2) так как и , то вторая аксиома очевидна:


3) рассмотрим точки ,, и докажем следующее неравенство:



Возведем это неравенство в квадрат:



.


Так как и (поскольку ) и выражение есть величина неотрицательная, то неравенство является верным.


2. 1)


2) так как и , то вторая аксиома очевидна: .


3) рассмотрим точки ,, и докажем следующее неравенство: .




Тогда и .


3. 1)


2) так как и , то вторая аксиома очевидна:


.


3) рассмотрим точки ,,.


Неравенство: - очевидно.


· Введенные метрики и эквивалентны, то есть задают одну и ту же топологию.


Пусть метрика порождает топологию , - топологию и - топологию . Достаточно показать два равенства.


Покажем, что .


Рассмотрим множество, открытое в и покажем, что открыто в . Возьмем некоторую точку и изобразим шар с центром в этой точке, который целиком лежит в . Шар в - квадрат, шар в - круг. А квадрат всегда можно заключить в круг. Тогда открыто и в .


Аналогично доказывается, что . А тогда и .



Глава
II. Свойства метризуемых пространств


Свойство 1.

Метризуемое пространство хаусдорфово.


Доказательство.
Пусть . Возьмем . Докажем, что .


Предположим, что , тогда существует , т.е. и . Тогда, . Получили противоречие. Следовательно, .


Следствие.

Метризуемое пространство является - пространством.


Определение.

Расстоянием от точки до множества в метрическом пространстве называется .


Утверждение 2.

Пусть множество фиксировано; тогда функция , сопоставляющая каждой точке расстояние , непрерывна на пространстве .


Доказательство.
Воспользуемся определением непрерывности: функция называется непрерывной в точке , если .


Из неравенства , где , получаем . Аналогично . Из полученных неравенств следует .


Для произвольного возьмем . Тогда из неравенства следует . Непрерывность доказана.


Лемма.

– замкнутое множество в метрическом пространстве . Для любого расстояние от до множества положительно.


Доказательство.


Множество замкнуто, отсюда следует, что множество - открыто. Так как точка принадлежит открытому множеству , то существует такое, что . Так как , то для некоторого . Поэтому для любого . Следовательно, , что и требовалось доказать.


Свойство 2.

Метризуемое пространство нормально.


Доказательство.
По

доказанному метризуемое пространство является


-пространством. Остается доказать, что любые непустые непересекающиеся замкнутые множества и имеют непересекающиеся окрестности.


Так как и множество замкнуто по условию, то для любого по лемме .


Обозначим и для произвольных и .


Множества и открыты как объединения открытых шаров в и содержат соответственно множества и .


Следовательно, - окрестность множества , - окрестность множества .


Докажем, что .


Предположим, что , то есть . Тогда из условия следует, что для некоторого . Отсюда .


Аналогично получаем для некоторого . Для определенности пусть . Тогда .


Получаем , для некоторой точки , что невозможно в силу определения расстояния от точки до множества.


Следовательно . Таким образом, является -пространством, а, значит, нормальным пространством. Теорема доказана.


Свойство 3.

В метризуемом пространстве
выполняется первая аксиома счетности.


Доказательство.
Пусть - произвольное открытое множество, содержащее точку . Так как открытые шары образуют базу топологии метрического пространства, то содержится в вместе с некоторым открытым шаром, то есть для некоторых и . По утверждению 1 найдется такое , что .


Возьмем , для которого . Тогда . Таким образом открытые шары , образуют определяющую систему окрестностей точки . Очевидно, что множество этих окрестностей счетно. Что и требовалось доказать.


Определение.

Множеством типа
или просто - множеством
пространства называется всякое множество , являющееся объединением счетного числа замкнутых (в ) множеств.


Определение.

Множеством типа
или просто - множеством
пространства называется всякое множество , являющееся пересечением счетного числа открытых (в ) множеств.


Очевидно, что множества типа и
являются взаимно дополнительными друг для друга.


Определение.

Нормальное пространство, в котором всякое замкнутое множество является множеством типа
, называется совершенно нормальным
.


Утверждение 3.

Нормальное пространство является совершенно нормальным тогда и только тогда, когда всякое открытое множество, принадлежащее этому пространству, является множеством типа .


Свойство 4.

Метризуемое пространство совершенно нормально.


Доказательство.
Пусть - непустое замкнутое множество в . Тогда для непрерывной функции (непрерывность ее установлена в утверждении 2). Обозначим , множества открыты в как прообразы открытых множеств при непрерывном отображении. Докажем, что .


Пусть , тогда . Так как для любого , то для любого . Отсюда .


Обратно. Пусть , тогда для любого . Отсюда для любого , поэтому для любого , тогда , значит . Таким образом множество является множеством типа
.


Определение.

Множество всюду плотно в
, если любое непустое открытое в множество содержит точки из .


Определение.

Топологическое пространство называется сепарабельным
, если оно имеет счетное всюду плотное подмножество.


Определение.

Семейство γ открытых в множеств образуют покрытие пространства
, если содержится в объединении множеств этого семейства.


Определение.

Топологическое пространство называется финально компактным
, если из любого его открытого покрытия можно выделить счетное подпокрытие.


Свойство 5.

Для метризуемого пространства следующие условия эквивалентны:


1) сепарабельно,


2) имеет счетную базу,


3) финально компактно.


Доказательство.


Пусть - счетное всюду плотное множество в , - метрика в . Множество окрестностей счетно. Докажем, что - база топологии в . Пусть - произвольное открытое в множество, . Тогда для некоторого . Рассмотрим рациональное число , для которого и точку , для которой .


Докажем, что . Пусть . Так как , то . Тогда . Таким образом, для произвольного и открытого множества нашелся элемент из , такой, что . Следовательно - база топологии.


Пусть - счетная база в . Рассмотрим произвольное открытое покрытие множества , - открыты для любого (- индексное множество). Для любого существует , для которого . Так как - база, то найдется такое , что . Тогда . Поскольку база счетна, то покрывается счетным числом соответствующих множеств . Таким образом, - финально компактно.


Для каждой точки рассмотрим окрестности , которые образуют покрытие пространства . В силу финальной компактности из этого покрытия можно выделить счетное подпокрытие . В каждом из этих множеств выберем точку . Множество точек счетно, докажем, что оно плотно в . Пусть - произвольное открытое множество в , , тогда для некоторого . Существует элемент подпокрытия . Тогда , то есть любое непустое открытое множество в содержит точку этого множества. Что и требовалось доказать.


Определение.

Диаметром непустого множества
в метрическом пространстве называется точная верхняя грань множества всех расстояний между точками множества и обозначается .


.


Если , то множество называют неограниченным.


Определение.

Метрика метрического пространства называется ограниченной
, если .


Свойство 6.

Любое метризуемое топологическое пространство может быть метризовано ограниченной метрикой.


Доказательство.
Пусть метрика порождает топологию топологического пространства . Положим для любых .


Докажем следующее:


1. -метрика на ;


2. метрики и эквивалентны;


3. .


1. Проверим выполнимость аксиом.


1) ;


2);


: Докажем, что .


Известно, что .


· Если и , то и , тогда . Так как , то .


· Если или , то , а , тогда .


2. Пусть - топология, порожденная метрикой , а - топология, порожденная метрикой . Докажем, что .


Пусть - открытое множество в , докажем, что множество открыто в . Для любого существует такое, что . Можно считать, что . Тогда является окрестностью в того же радиуса . Следовательно, открыто в топологии .


В обратную сторону доказательство проводится аналогично.


Из всего выше сказанного следует, что метрики и эквивалентны.


3. Из формулы следует, что для любых . Отсюда .


Определение.

- топологические пространства, . Тихоновским произведением топологических пространств
называется топологическое пространство , в котором базу топологии образуют множества , где открыто в для любого и для всех индексов кроме конечного их числа.


Свойство 7.

Произведение счетного числа метризуемых пространств метризуемо.


Доказательство.
Пусть - метризуемые топологические пространства. По лемме на каждом множестве существует ограниченная метрика соответственно.


Рассмотрим .


Покажем:


1. является метрикой на и .


2. топология, порожденная метрикой , совпадает с топологией произведения пространств .


1. Проверим выполнимость аксиом метрики.


1) (так как - метрика по условию).


2) , .


Так как (-метрика по условию), то , тогда .


3) Докажем, что .


, , . Но так как выполняется неравенство , то будет выполняться неравенство:


, тогда .


Теперь докажем, что .


, где геометрическая прогрессия, а , тогда .


2. 1) Покажем, что каждое множество , открытое в топологии, индуцированной метрикой , открыто и в топологии произведения.


Рассмотрим произвольную точку . Существует такое , что . Далее достаточно найти положительное число и открытые множества , такие, что .


Пусть - положительное целое число, удовлетворяющее условию:


.


Для положим и для .


Для каждой точки . Рассмотрим полученные суммы. Так как , где , то . Так как для любых , то . Тогда , т.е. . Таким образом . Следовательно, множество открыто в тихоновской топологии произведения.


2) Пусть множество открыто в топологии произведения. Докажем, что оно открыто в топологии, порожденной метрикой .


Требуется доказать, что для любой точки найдется такое , что .


Так как множество открыто в топологии произведении, то для некоторого множества , где - открыто в и для любого и для всех индексов кроме конечного их числа. Поскольку и открыто в , то для конечного числа индексов, для которых . Пусть - наименьший из этих значений . Докажем, что . Возьмем произвольное . Тогда . Отсюда для любого . Это означает, что для любого . Получили . Следовательно, множество открыто в топологии, индуцируемой метрикой . Теорема доказана.


Глава
III. Примеры метризуемых и неметризуемых пространств

1. Дискретное топологическое пространство.


- произвольное непустое множество. Открытым назовем любое подмножество в . Очевидно, при этом выполнены все аксиомы топологического пространства. Рассмотрим Для любого множество открыто, так как . Следовательно, открыто и любое подмножество в как объединение одноэлементных множеств. Вывод: дискретное топологическое пространство – метризуемо.


2. Двоеточия.


. Рассмотрим топологии на .


1) - простое двоеточие.


2) - связное двоеточие.


3) - слипшееся двоеточие.


- метризуемо, так как топология - дискретная.


, - неметризуемы, так как не являются хаусдорфовыми.


3. Стрелка
().


В открытыми назовем и множества вида , где . Очевидно, при этом выполнены все аксиомы топологического пространства. Топологическое пространство не является хаусдорфовым, а значит неметризуемо.


4. Окружности Александрова
(пространство ).


Открытые множества в :


первого рода
: интервал на малой окружности плюс его проекция на большую окружность , из которой выброшено конечное число точек.


второго рода
: каждая точка на большой окружности открыта.


1. Множество замкнуто в тогда и только тогда, когда - конечно.


Доказательство.
Очевидно, что любое конечное множество
замкнуто как дополнение открытого. Пусть и - бесконечно. Докажем, что - незамкнуто.


Так как - бесконечно, то оно содержит счетное подмножество, которое можно рассмотреть как последовательность точек, принадлежащих . Эта последовательность ограничена в , по теореме Больцано-Вейерштрасса из нее можно выделить сходящуюся подпоследовательность. Так как замкнуто в , то предел этой последовательности . Пусть - точка, для которой является проекцией на . Возьмем произвольное открытое в
множество , содержащее точку . Тогда исходя из структуры открытых множеств первого рода получаем, что содержит бесконечно много точек множества , т.е. является предельной точкой множества . При этом . Следовательно, - незамкнуто.


2. Множество не совершенно нормально.


Доказательство.
Пусть дуга . Множество открыто, как объединение открытых одноэлементных множеств. Замкнутыми в являются по доказанному лишь конечные множества. Но счетное объединение конечных множеств счетно. Следовательно открыто и не является множеством типа . Таким образом множество
неметризуемо.












Библиографический список

1. Александров П.С., Пасынков Б.А. Введение в теорию размерности. – М.: Наука, 1973.


2. Энгелькинг Р. Общая топология – М.: Мир, 1986.


3. Колмогоров А.Н., Фомин С.В. Элементы теории функций и функционального анализа. – М. Наука, 1989.

Сохранить в соц. сетях:
Обсуждение:
comments powered by Disqus

Название реферата: Метризуемость топологических пространств

Слов:3201
Символов:25267
Размер:49.35 Кб.