Современная гуманитарная академия
Реферат
по предмету «Алгебра и геометрия»
на тему:
«Топологические пространства»
Выполнил:
Макриденков С.А.
гр. ОИН-309-02
Смоленск 2004
Содержание
Введение. 3
Основные этапы развития топологии. 5
Определение топологического пространства. 7
Задачи топологии. 10
Виды топологии. 12
Любой человек, изучавший начала математического анализа, понимает важность понятия непрерывности функции. Немного упрощая ситуацию, можно сказать, что непрерывность числовой функции - это математическая формализация следующего свойства: график этой функции можно нарисовать на листе бумаги, не отрывая карандаша, то есть график нигде не разрывается. Числовая функция есть частный случай более общего понятия отображения, которое определяется уже не для чисел, а для элементов произвольных множеств. Возникает вопрос, можно ли определить понятие непрерывности отображений на множествах. Оказывается, для того чтобы корректно ввести это понятие, необходимо задать на множествах дополнительную структуру, так называемую топологию; множество с указанной структурой называется топологическим пространством. Математическая дисциплина, изучающая указанные выше понятия (и не только их), тоже называется топологией.
Топологическое пространство — основной объект изучения топологии. Понятие топологического пространства можно рассматривать как обобщение понятия геометрической фигуры, в котором мы отвлекаемся от свойств наподобие размера или точного положения частей фигуры в пространстве, и сосредотачиваемся только на взаимном расположении частей. Топологические пространства возникают естественно почти во всех разделах математики.
Определение. Пусть дано множество X. Множество T его подмножеств называется топологией на X, если выполнены следующие свойства:
- Все X и пустое множество принадлежат T,
- Объединение произвольного семейства множеств, принадлежащих T, принадлежит T,
- Пересечение двух множеств, принадлежащих T, принадлежит T.
Множество X вместе с заданной на нем топологией T называется топологическим пространством. Подмножества X, принадлежащие T, называются открытыми множествами
Способы задания топологии. Не всегда удобно перечислять все открытые множества. Часто удобнее указать некоторый меньший набор открытых множеств, который порождает их все. Формализацией этого является понятие базы топологии: множество B открытых подмножеств топологического пространства (X, T) называется базой топологии T, если всякое открытое множество представляется как объединение множеств из B.
Еще более экономный способ задания топологии состоит в задании ее предбазы — множества, которое становится базой, если к нему прибавить произвольные конечные пересечения его элементов.
Топологию можно также задать описав множество Q всех замкнутых множеств (т.е. всех дополнений к открытым множествам).
Примеры. Вещественная прямая R является топологическим пространством, если назвать открытыми множествами произвольные (пустые, конечные или бесконечные) объединения конечных или бесконечных интервалов. Множество всех конечных интервалов {(a, b) | a, b из R } является базой этой топологии.
Вообще, евклидовы пространства Rn являются топологическими пространствами. Базой топологии можно выбрать открытые шары или открытые кубы.
Обобщая далее, всякое метрическое пространство является топологическим пространством, базу топологии которого составляют открытые шары. В эту категорию попадают изучаемые в функциональном анализе бесконечномерные пространства функций.
Рассмотрим множество С(X, Y) непрерывных отображений топологического пространства X в топологическое пространство Y. Оно является топологическим пространством относительно следующей топологии, которая называется компактно-открытой. Ее предбазу составляют множества C(U, K), состоящие из отображений, при которых обаз компакта K в X лежит в открытом множестве U в Y.
Произвольное множество X можно сделать топологическим пространством, если называть открытыми все его подмножества. Такая топология называется дискретной.
Непрерывные отображения. Понятие топологии является минимально необходимым для того, чтобы говорить о непрерывных отображениях. Интуитивно непрерывность есть отсутствие разрывов, то есть близкие точки при непрерывном отображении должны переходить в близкие. Оказывается, для определения понятия близости точек можно обойтись без понятия расстояния. Именно это и есть топологическое определение непрерывного отображения.
Отображение топологических пространств f: (X,TX) → (Y,TY) называется непрерывным, если прообраз всякого открытого множества открыт.
Категория Top всех топологических пространств, морфизмы которой — непрерывные отображения, является одной из важнейших категорий в математике. Попыткам классифицировать объекты этой категории при помощи инвариантов посвящен раздел математической науки, который называется алгебраической топологией. Изучению понятий непрерывности, а также других понятий, таких как компактность или отделимость, как таковых, без обращения к другим инструментам, посвящена общая топология.
Основные этапы развития топологии
Отдельные результаты топологического характера были получены ещё в 18—19 вв. (теорема Эйлера о выпуклых многогранниках, классификация поверхностей и теорема Жордана о том, что лежащая в плоскости простая замкнутая линия разбивает плоскость на две части). В начале 20 в. создаётся общее понятие пространства в Т. (метрическое — М. Фреше, топологическое — Ф. Хаусдорф), возникают первоначальные идеи теории размерности и доказываются простейшие теоремы о непрерывных отображениях (А. Лебег, Л. Брауэр), вводятся полиэдры (А. Пуанкаре) и определяются их так называемые числа Бетти. Первая четверть 20 в. завершается расцветом общей Т. и созданием московской топологической школы; закладываются основы общей теории размерности (П. С. Урысон); аксиоматике топологических пространств придаётся её современный вид (П. С. Александров); строится теория компактных пространств (Александров, Урысон) и доказывается теорема об их произведении (А. Н. Тихонов); впервые даются необходимые и достаточные условия метризуемости пространства (Александров, Урысон); вводится (Александров) понятие локально конечного покрытия [на основе которого в 1944 Ж. Дьёдонне (Франция) определил паракомпактные пространства]; вводятся вполне регулярные пространства (Тихонов); определяется понятие нерва и тем самым основывается общая теория гомологий (Александров). Под влиянием Э. Нётер числа Бетти осознаются как ранги групп гомологий, которые поэтому называются также группами Бетти. Л. С. Понтрягин, основываясь на своей теории характеров, доказывает законы двойственности для замкнутых множеств.
Во 2-й четверти 20 в. продолжается развитие общей Т. и теории гомологий: в развитие идей Тихонова А. Стоун (США) и Э. Чех вводят так называемое стоун — чеховское, или максимальное, (би)компактное расширение вполне регулярного пространства; определяются группы гомологий произвольных пространств (Чех), в группы когомологий (Дж. Александер, А. Н. Колмогоров) вводится умножение и строится кольцо когомологий. В это время в алгебраической Т. царят комбинаторные методы, основывающиеся на рассмотрении симплициальных схем; поэтому алгебраическая Т. иногда и до сих пор называется комбинаторной Т. Вводятся пространства близости и равномерные пространства. Начинает интенсивно развиваться теория гомотопий (Х. Хопф, Понтрягин); определяются гомотопические группы (В. Гуревич, США) и для их вычисления применяются соображения гладкой Т. (Понтрягин). Формулируются аксиомы групп гомологий и когомологий (Н. Стинрод и С. Эйленберг, США). Возникает теория расслоений (Х. Уитни, США; Понтрягин); вводятся клеточные пространства (Дж. Уайтхед, Великобритания).
Во 2-й половине 20 в. в СССР складывается советская школа общей Т. и теории гомологий: ведутся работы по теории размерности, проблеме метризации, теории (би)компактных расширений, общей теории непрерывных отображений (факторных, открытых, замкнутых), в частности теории абсолютов; теории так называемых кардинальнозначных инвариантов (А.В. Архангельский, Б. А. Пасынков, В. И. Пономарев, Е. Г. Скляренко, Ю. М. Смирнов и др.).
Усилиями ряда учёных (Ж. П. Серр и А. Картан во Франции, М. М. Постников в СССР, Уайтхед и др.) окончательно складывается теория гомотопий. В это время создаются крупные центры алгебраической Т. в США, Великобритании и др. странах; возобновляется интерес к геометрической Т. Создаётся теория векторных расслоений и К-функтора (М. Атья, Великобритания; Ф. Хирцебрух, ФРГ), алгебраическая Т. получает широкие применения в гладкой Т. (Р. Том, Франция) и алгебраической геометрии (Хирцебрух); развивается теория (ко)бордизмов (В. А. Рохлин, СССР; Том, С. П. Новиков) и теория сглаживания и триангулируемости (Дж. Милнор, США).
Развитие Т. продолжается во всех направлениях, а сфера её приложений непрерывно расширяется.
Определение топологического пространства
Напомним классическое определение непрерывности числовой функции f в точке x, восходящее к Коши.
Определение 1. Функция f называется непрерывной в точке x, если для любого e > 0 существует d = d(e) > 0, такое, что если для точки x' выполнено неравенство | x - x' | < d, то | f (x) - f (x') | < e.
Введенное выше определение допускает модификацию, удобную для дальнейшего изложения.
Определение 1'. Функция f называется непрерывной в точке x, если для любой окрестности U точки f (x) существует окрестность V точки x, такая, что из того, что точка x' принадлежит V, следует, что f (x') принадлежит U.
Нетрудно видеть, что для числовых функций определения 1 и 1' эквивалентны, поскольку, с одной стороны, множество точек x', таких, что | x - x' | < d, является окрестностью точки x, называемой d-окрестностью x (соответственно множество точек y, таких, что | f (x) - y | < < e, является окрестностью точки f (x), называемой e-окрестностью f (x)), а с другой стороны, внутри любой окрестности U точки f (x) содержится e-окрестность для достаточно малого e (соответственно в любой окрестности V точки x содержится d-окрестность для достаточно малого d).