Không gian tôpô
Bách khoa toàn thư mở Wikipedia
Không gian tôpô, hay không gian topo, là những cấu trúc cho phép người ta hình thức hóa các khái niệm như là sự hội tụ, tính liên thông và tính liên tục. Chúng xuất hiện hầu như trong tất cả mọi ngành của toán học hiện đại và là một khái niệm thống nhất có tính trọng tâm. Ngành toán nghiên cứu về các không gian tôpô gọi là topology.
Mục lục |
[sửa] Định nghĩa
Một không gian topo là một tập X cùng với một họ T của các tập con của X thỏa mãn các tiên đề sau đây:
- Tập trống và X là ở trong T.
- Hợp của bất kì họ nào của các tập hợp trong T cũng ở trong T.
- Giao của bất kì cặp hai tập hợp nào trong T cũng ở trong T.
Họ T là một topo trên X. Các tập hợp trong T là các tập mở, và phần bù của chúng trong X là các tập đóng. Các phần tử của X được gọi là các điểm.
Yêu cầu hợp của bất kì họ nào của các tập mở cũng là một tập mở là cao hơn việc chỉ đơn giản yêu cầu hợp của bất kì hai tập mở là tập mở, bởi vì điều kiện sau bao gồm cả hợp của vô hạn các tập hợp.
Bằng quy nạp, giao của bất kì họ hữu hạn nào của các tập mở cũng mở. Do đó, bởi hợp của họ rỗng là tập rỗng, và giao của họ rỗng là (bởi định nghĩa) X, một định nghĩa tương đương có thể đưa ra bằng các yêu cầu một topo là đóng dưới phép hợp và phép giao hữu hạn.
[sửa] So sánh các loại topo
Nhiều loại topo khác nhau có thể được đặt trên một tập hợp để tạo nên một không gian topo. Khi mọi tập trong một topo T1 cũng là một tập trong topo T2, ta nói rằng T2 là "mịn hơn" T1, và T1 là "thô hơn" T2. Một chứng minh chỉ dựa trên sự tồn tại của một số loại tập mở nào đó cũng đúng cho bất kì topo nào mịn hơn, và tương tự như vậy một chứng minh chỉ dựa trên một số tập nào đó không mở cũng đúng cho bất cứ topo nào thô hơn. Các từ "lớn hơn" và "nhỏ hơn" đôi lúc được sử dụng thay cho "mịn hơn" và "thô hơn". Các từ "mạnh hơn" và "yếu hơn" cũng được sử dụng trong sách vở, nhưng không được đồng ý bởi đại đa số về mặt ngữ nghĩa, do đó ta luôn luôn phải chắc chắn về cách sử dụng của tác giả khi đọc sách.
Bộ sưu tập của tất các topo trên một tập cố định X tạo thành một lattice đầy đủ: nếu F = {Tα : α trong A} là một bộ sưu tập các topo trên X, thì gặp của F là giao của F, và nối của F là gặp của một bộ sưu tập của các topo trên X chứa mọi phần tử của F.
[sửa] Ánh xạ liên tục
Một ánh xạ giữa hai không gian topo được nói là liên tục nếu như nghịch ảnh của mọi tập mở là mở. Đây là một cố gắng để nắm bắt trực giác về việc không có "vết đứt" hay "sự phân cách" trong hàm đó. Một phép đồng phôi (homeomorphism) là một song ánh liên tục và ánh xạ ngược của nó cũng liên tục. Hai không gian gọi là "đồng phôi" nếu như có một phép đồng phôi giữa chúng. Dưới quan điểm topo, các không gian đồng phôi là như nhau.
Phạm trù các không gian topo.
- Xem các không gian topo như là các vật và các ánh xạ liên tục như là các cấu xạ thì họ các không gian topo lập thành một phạm trù, kí hiêu là Top. Đây là một phạm trù cơ bản trong toán học. Cố gắng phân loại các vật của phạm trù này (xê xích một phép đồng phôi) bởi các bất biến đã tạo ra nhiều lãnh vực nghiên cứu mới, như là lý thuyết đồng luân (homotopy theory), lý thuyết đồng điều (homology theory) và K- Lý thuyết (K - theory), v.v.
[sửa] Các định nghĩa tương đương
Có nhiều định nghĩa tương đương khác để định nghĩa một không gian tôpô. Ví dụ, sử dụng các định luật de Morgan, các tiên đề định nghĩa tập mở trở thành các tiên đề định nghĩa các tập đóng:
- Tập trống và X là đóng.
- Giao của bất kì họ của các tập đóng nào cũng đóng.
- Hợp của bất kì cặp hai tập đóng nào cũng đóng.
Một cách khác để định nghĩa một không gian tô pô là sử dụng các tiên đề bao đóng Kuratowski, định nghĩa các tập đóng như là những điểm bất động của một toán tử trên tập mũ của X (tập của các tập con của X).
Một lân cận của một điểm x là bất kì một tập nào chứa một tập mở có chứa x. Hệ các lân cận tại x chứa tất cả các lân cận của x. Một topo có thể được xác định bởi một tập các tiên đề liên quan đến tất cả các hệ lân cận.
Một lưới là một sự tổng quát hóa khái niệm của dãy. Một topo được xác định hoàn toàn nếu như với mọi lưới trong X tập hợp các điểm hội tụ (accumulation point) của nó được xác định.
[sửa] Ví dụ về các không gian topo
Một tập hợp cho trước có thể có nhiều tôpô trên đó. Nếu như một tập được cho một tôpô khác, nó sẽ được xem như là một không gian tôpô khác. Bất kì tập nào cũng có được cho tô pô rời rạc mà trong đó bất kì tập nào cũng mở. Những dãy (hay lưới) hội tụ trong không gian này là những dãy (hay lưới) cuối cùng hằng số. Cũng vậy, bất kì tập nào cũng được cho tôpô hiển nhiên (cũng còn được gọi là tôpô không rời rạc), mà trong đó chỉ có tập trống hay là toàn bộ không gian là mở. Mọi dãy và lưới và trong tôpô này hội tụ tới mỗi điểm trong không gian. Ví dụ này cho thấy trong không gian tô pô tổng quát, giới hạn của chuỗi không nhất thiết là duy nhất.
Có nhiều cách định nghĩa một tô pô trên R, tập hợp của các số thực. Tô pô quy chuẩn trên R được tạo ra bởi các đoạn mở. Những đoạn mở này tạo thành một nền hay cơ sở cho topo đó, nghĩa là mọi tập mở là hợp của các tập mở cơ sở. Tổng quát hơn, không gian Euclid Rn có thể được cho một topo. Trong tô pô thông thường trên Rn các tập mở cơ sở là các quả cầu mở. Tương tự như vậy, C và Cn có một tôpô quy chuẩn mà trong đó các tập mở cơ sở là các quả cầu mở.
Mọi không gian metric có thể được cho một tôpô metric, mà trong đó các tập mở cơ sở là những quả cầu mở định nghĩa bởi metric đó. Đây là tôpô quy chuẩn trên bất kì không gian vectơ định chuẩn nào.
Nhiều tập hợp các toán tử trong giải tích hàm được trang bị với những tô pô định nghĩa bằng cách xác định khi nào thì một dãy của các hàm hội tụ đến hàm zero.
Bất kì trường địa phương nào cũng có một topo bản chất của nó, và tôpô này có thể mở rộng ra không gian vectơ định nghĩa trên trường đó.
Bất kì đa tạp nào cũng có to po tự nhiên bởi vì một cách địa phương chúng là Euclidean. Tương tự như vậy, mỗi đơn hình (simplex) và bất kì phức đơn hình (simplicial complex) thừa kế một tô pô tự nhiên từ Rn.
Tô pô Zariski được định nghĩa một cách đại số trên phổ của một vành hay là một đa tạp đại số (algebraic variety). Trên Rn hay Cn, tập hợp đóng của tôpô Zariski là tập hợp các nghiệm của hệ các phương trình đa thức.
Một đồ thị tuyến tính có một to po tự nhiên tổng quát hóa nhiều khía cạnh hình học của đồ thị với các đỉnh và các cạnh.
Không gian Sierpiński là không gian tô pô đơn giản không hiển nhiên, không rời rạc. Nó có nhiều mối liên quan quan trọng đến lý thuyết máy tính và ngữ pháp.
Bất kì tập vô hạn nào cũng có thể được cho tôpô cùng hữu hạn trong đó các tập mở là tập trống và những tập mà phần bù là hữu hạn. Đây là tô pô T1 nhỏ nhất trên bất kì tập vô hạn nào.
Đường thẳng thực có thể được cho tôpô giới hạn dưới. Ở đây, các tập mở cơ sở là các đoạn nửa mở [a, b). Topo này trên R là thực sự mịn hơn topo Euclidean định nghĩa phía trên; một dãy hội tụ đến một điểm trong topo này nếu và chỉ nếu nó hội tụ từ bên trên trong tô pô Euclidean. Ví dụ này cho thấy một tập có thể có nhiều loại topo khác nhau định nghĩa trên đó.
Nếu Γ là một số thứ tự, thì tập hợp [0, Γ] có thể được trang bị với topo thứ tự sản sinh từ các đoạn (a, b), với a và b là các phần tử của Γ.
[sửa] Xây dựng mang tính topo
Every subset of a topological space can be given the subspace topology in which the open sets are the intersections of the open sets of the larger space with the subset. For any nonempty collection of topological spaces, the product can be given the product topology, which is generated by the inverse images of open sets of the factors under the projection mappings. For example, in finite products, a basis for the product topology consists of all products of open sets. For infinite products, there is the additional requirement that in a basic open set, all but finitely many of its projections are the entire space.
A quotient space is defined as follows: if X is a topological space and Y is a set, and if f : X → Y is a surjective function, then the quotient topology on Y is the collection of subsets of Y that have open inverse images under f. In other words, the quotient topology is the finest topology on Y for which f is continuous. A common example of a quotient topology is when an equivalence relation is defined on the topological space X. The map f is then the natural projection onto the set of equivalence classes.
The Vietoris topology on the set of all non-empty subsets of a topological space X is generated by the following basis: for every n-tuple U1, ..., Un of open sets in X, we construct a basis set consisting of all subsets of the union of the Ui which have non-empty intersection with each Ui.
[sửa] Phân loại các không gian topo
Các không gian tô pô có thể được phân loại, chính xác đến một đồng phôi, bằng các tính chất tô pô của chúng. Tính chất tô pô là tính chất của không gian không thay đổi trong các phép biến đổi đồng phôi. Để chứng minh hai không gian không đồng phôi, có thể tìm một tính chất tô pô mà chúng khác nhau. Ví dụ như tính liên thông, tính compắc và dựa vào các tiên đề tách. Xem thêm các tính chất tôpô.
[sửa] Các không gian topo với cấu trúc đại số
Đối với các đối tượng đại số thường có tôpô tự nhiên trên đó. Tôpô này tương thích với các phép toán theo nghĩa các phép toán này là các ánh xạ liên tục. Điều này dẫn tới các khái niệm như nhóm tôpô, không gian vectơ tôpô ...
[sửa] Các không gian topo với cấu trúc thứ bậc
- Spectral. A space is spectral if and only if it is the prime spectrum of a ring (Hochster theorem).
- Specialization preorder. In a space the specialization (or canonical) preorder is defined by x ≤ y if and only if c({x}) ⊆ c({y}).
[sửa] Đặc biệt và mở rộng
Topological spaces provide the most common notions of closeness and convergence for a space, but it may be possible in some cases to study more specialized or more general notions.
- Proximity spaces provide a notion of closeness of two sets.
- Metric spaces have a precise notion of distance between points, so that the closeness of any disparate pair of points can be compared.
- Uniform spaces carry a structure which axiomatize the idea of comparing the closeness of disparate pairs of points.
- Cauchy spaces carry a structure which axiomatize the ability to test whether a net is Cauchy. Cauchy spaces provide a general setting for studying completions.
- Convergence spaces carry a structure which captures some of the features of convergence of filters.
- σ-algebras provide a selection of sets whose size may be measured
[sửa] Liên kết ngoài
- Bài giảng về "Không gian tô pô" tại trường Đại học Cần Thơ
- Elementary Topology: A First Course Viro, Ivanov, Netsvetaev, Kharlamov (St. Petersburg University)
- An invitation to Topology Planar Machines' web site
- Geometry and Topology Index, MacTutor History of Mathematics archive
- ODP category
- The Topological Zoo at The Geometry Center
- Topology Atlas
- Topology Course Lecture Notes Aisling McCluskey and Brian McMaster, Topology Atlas
- Topology Glossary
- Rigorous proof of a discrete space's countability
Các chủ đề chính trong toán học |
---|
Nền tảng toán học | Đại số | Giải tích | Hình học | Lý thuyết số | Toán học rời rạc | Toán học ứng dụng | Toán học giải trí | Toán học tô pô | Xác suất thống kê |