Topologischer Raum

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topologischer Raum

berührt die Spezialgebiete

Mathematik
- Topologie

ist Spezialfall von

Mengensystem

umfasst als Spezialfälle

parakompakter Raum
- kompakter Raum
Kolmogoroff-Raum
präregulärer Raum
- Hausdorff-Raum
  - parakompakter Hausdorff-Raum
Räume, die ein Abzählbarkeitsaxiom

erfüllen

Ein Topologischer Raum ist der grundlegende Gegenstand der Teildisziplin Topologie der Mathematik. Durch die Einführung einer topologischen Struktur auf einer Menge lassen sich intuitive Lagebeziehungen wie „Nähe“ und „Streben gegen“ aus dem Anschauungsraum auf sehr viele und sehr allgemeine Strukturen übertragen und mit präziser Bedeutung versehen.

[Bearbeiten] Definition

Eine Topologie ist eine Familie T von Teilmengen („die Familie der offenen Mengen“) der Grundmenge X, für die folgende Axiome erfüllt sind:

Die leere Menge und die Grundmenge X sind offene Mengen.
Der Durchschnitt endlich vieler offener Mengen ist eine offene Menge.
Die Vereinigung beliebig vieler offener Mengen ist eine offene Menge.

Eine Menge X zusammen mit einer Topologie T auf X heißt topologischer Raum (X,T).

[Bearbeiten] Grundbegriffe

[Bearbeiten] Sprechweise: Elemente sind Punkte, die Menge ist ein Raum

Aus dem Anschauungsraum hat sich die Bezeichnung „Punkt“ für die Elemente der Grundmenge und die Bezeichnung „(topologischer) Raum“ für die Menge X, die die topologische Struktur trägt, durchgesetzt. Formal korrekt ist ein topologischer Raum aber das Paar (X,T) aus der strukturtragenden Menge X und dem strukturdefinierenden System T (der „Topologie“) von Teilmengen.

[Bearbeiten] Dual: abgeschlossen

Eine Teilmenge des topologischen Raums X, deren Komplement eine offene Menge ist, heißt abgeschlossen. Wenn man die oben formulierte Definition dualisiert und das Wort „offen“ durch „abgeschlossen“ ersetzt (sowie Schnitt und Vereinigung vertauscht), ergibt sich eine gleichwertige Definition des Begriffs „topologischer Raum“ über dessen System abgeschlossener Mengen.

[Bearbeiten] Nachbarschaft: Umgebungen

In einem topologischen Raum hat jeder Punkt x einen Filter U(x) von Umgebungen. Damit lässt sich der intuitive Begriff von „Nähe“ mathematisch fassen. Auch dieser Begriff kann einer Definition des Topologischen Raums zugrunde gelegt werden.

[Bearbeiten] Vergleich von Topologien: gröber und feiner

Auf einer festen Menge X kann man zwei Topologien T und S miteinander vergleichen: Man nennt eine Topologie T „feiner“ als eine Topologie S, wenn $S\subseteq T$ ist, wenn also jede in S offene Menge auch in T offen ist. S heißt dann „gröber“ als T. Sind die beiden Topologien verschieden, sagt man auch T ist „echt feiner“ als S und S ist „echt gröber“ als T.

Diese Sprechweise ist kompatibel mit der „feiner“-Ordnung der Umgebungsysteme als Filter: Ist x ein fester Punkt des Raums, dann ist der von der feineren Topologie T erzeugte Umgebungsfilter V(x) feiner als der von der gröberen Topologie S erzeugte U(x).

[Bearbeiten] Morphismen: Stetige Abbildungen

Wie bei jeder Mathematischen Struktur gibt es auch bei den topologischen Räumen strukturerhaltende Abbildungen (Morphismen). Hier sind es die stetigen Abbildungen: Eine Abbildung $f: (X,S)\to (Y,T)$ ist stetig, wenn das Urbild jeder offenen Teilmenge von Y eine offene Menge in X ist, formal $f^{-1}(Y,T)\subseteq (X,S)$ .

Die Isomorphismen heißen hier Homöomorphismen, dies sind stetige Abbildungen, deren Umkehrung ebenfalls stetig ist. Strukturell gleichartige (isomorphe) topologische Räume nennt man homöomorph.

Weitere Begriffe im Zusammenhang mit topologischen Räumen sind im Topologie-Glossar zusammengefasst.

[Bearbeiten] Beispiele

Auf jeder Grundmenge X existieren als triviale Beispiele von Topologien:
1. Die indiskrete (oder chaotische oder Klumpen-) Topologie, die nur die leere Menge und die Grundmenge enthält. Sie ist die gröbste Topologie auf X.
2. Die diskrete Topologie, die alle Teilmengen enthält. Sie ist die feinste Topologie auf X.
Auf einer unendlichen Menge $M$ (z. B. der Menge $\mathbb{N}$ der natürlichen Zahlen) kann man die kofinite Topologie einführen: Offen ist die leere Menge sowie jede Teilmenge von $M$ , deren Komplement nur endlich viele Elemente enthält.
Jede streng totalgeordnete Menge kann man in natürlicher Weise mit ihrer Ordnungstopologie versehen.
Die offenen Kugeln in einem metrischen Raum erzeugen (als Basis) eine Topologie, die von der Metrik induzierte Topologie.
- Spezielle metrische Räume sind die normierten Räume, hier wird die Metrik und damit die natürliche Topologie von der Norm induziert.
- In der Funktionalanalysis nennt man die von der Norm auf einem Funktionenraum induzierte Topologie auch „starke Topologie“ im Gegensatz zur schwachen Topologie und zur schwach*-Topologie, die dort ebenfalls untersucht werden.

[Bearbeiten] Erzeugung topologischer Räume

Man kann ein beliebiges System S von Teilmengen einer Menge X zu einer Topologie auf X erweitern, indem man fordert, dass (mindestens) alle Mengen aus S offen sind. Damit wird S zur Subbasis einer Topologie auf X.
Jeder Teilmenge Y eines topologischen Raums X kann eine Unterraumtopologie zugeordnet werden. Dabei sind die offenen Mengen gerade die Schnitte der in X offenen Mengen mit der Teilmenge Y.
Bei jeder Familie von topologischen Räumen kann das mengentheoretische Produkt der Grundmengen mit der Produkttopologie versehen werden:
- Bei endlichen Produkten bilden die Produkte der offenen Mengen aus den Faktorräumen eine Basis dieser Topologie.
- Bei unendlichen Produkten bilden diejenigen Produkte von offenen Mengen aus den Faktorräumen eine Basis, bei denen alle bis auf endlich viele Faktoren jeweils den ganzen betreffenden Raum umfassen.
- Wählt man in einem unendlichen Produkt als Basis die kartesischen Produkte von offenen Mengen aus den Faktorräumen, dann erhält man die Box-Topologie auf dem Produkt. Diese ist (i. a. echt) feiner als die Produkttopologie.
Eine Verallgemeinerung der Beispiele Unterraum- und Produkttopologie ist die Konstruktion einer Initialtopologie. Hier wird die Topologie auf einer Menge X durch die Forderung definiert, dass bestimmte Abbildungen aus X auf toplogische Räume stetig sein sollen.
Eine Quotiententopologie entsteht, indem man in einem topologischen Raum X gewisse Punkte miteinander verklebt (identifiziert). Formal geschieht dies durch eine Äquivalenzrelation, die Punkte des Quotientenraums sind also Klassen von Punkten aus X.

[Bearbeiten] Literatur

Klaus Jänich: Topologie. 6. Auflage, Springer, Berlin 1999, ISBN 3540653619
Boto v. Querenburg: Mengentheoretische Topologie. 3. Auflage. Springer, Berlin 2001, ISBN 3540677909
Horst Schubert: Topologie. Teubner, Stuttgart 1964, ISBN 3519122006