mirror of
https://github.com/MartinThoma/LaTeX-examples.git
synced 2025-04-26 06:48:04 +02:00
1023 lines
42 KiB
TeX
1023 lines
42 KiB
TeX
\chapter{Topologische Grundbegriffe}
|
|
\section{Topologische Räume}
|
|
\begin{definition} \xindex{Raum!topologischer} \xindex{offen} \xindex{abgeschlossen}
|
|
Ein \textbf{topologischer Raum} ist ein Paar $(X, \fT)$ bestehend
|
|
aus einer Menge $X$ und $\fT \subseteq \powerset{X}$ mit
|
|
folgenden Eigenschaften
|
|
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
|
|
\item $\emptyset, X \in \fT$
|
|
\item Sind $U_1, U_2 \in \fT$, so ist $U_1 \cap U_2 \in \fT$
|
|
\item Ist $I$ eine Menge und $U_i \in \fT$ für jedes $i \in I$,
|
|
so ist $\displaystyle \bigcup_{i \in I} U_i \in \fT$
|
|
\end{enumerate}
|
|
Die Elemente von $\fT$ heißen \textbf{offene Teilmengen} von $X$.
|
|
|
|
$A \subseteq X$ heißt \textbf{abgeschlossen}, wenn $X \setminus A$ offen ist.
|
|
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
Es gibt auch Mengen, die weder abgeschlossen, noch offen sind wie z.~B. $[0,1)$.
|
|
Auch gibt es Mengen, die sowohl abgeschlossen als auch offen sind.
|
|
|
|
\begin{bemerkung}[Mengen, die offen und abgeschlossen sind, existieren]
|
|
Betrachte $\emptyset$ und $X$ mit der \enquote{trivialen Topologie}
|
|
\xindex{Topologie!triviale}\index{Klumpentopologie|see{triviale Topologie}} $\fT_{\ts{triv}} = \Set{\emptyset, X}$.
|
|
|
|
Es gilt: $X \in \fT$ und $\emptyset \in \fT$, d.~h. $X$ und $\emptyset$
|
|
sind offen. Außerdem $X^C = X \setminus X = \emptyset \in \fT$
|
|
und $X \setminus \emptyset = X \in \fT$, d.~h. $X$ und $\emptyset$
|
|
sind als Komplement offener Mengen abgeschlossen.$\qed$
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
|
|
\item $X = \mdr^n$ mit der euklidischen Metrik. \xindex{Topologie!euklidische}
|
|
\begin{align*}
|
|
U \subseteq \mdr^n \text{ offen} \gdw\;&\text{für jedes $x \in U$ gibt es $r > 0$,}\\
|
|
&\text{sodass $\fB_r(x) = \Set{y \in \mdr^n | d(x,y) < r} \subseteq U$}
|
|
\end{align*}
|
|
Also: $\fT = \Set{M \subseteq X | M \text{ ist offene Kugel}}$.
|
|
Diese Topologie wird auch \enquote{Standardtopologie des $\mdr^n$}\xindex{Standardtopologie} genannt.
|
|
\item Jeder metrische Raum $(X, d)$ ist auch ein topologischer Raum.
|
|
\item Für eine Menge $X$ heißt $\fT = \powerset{X}$ \enquote{diskrete Topologie}\xindex{Topologie!diskrete}.
|
|
\item $X :=\mdr, \fT_Z := \Set{U \subseteq \mdr | \mdr \setminus U \text{ endlich}} \cup \Set{\emptyset}$ heißt \enquote{Zariski-Topologie} \xindex{Topologie!Zariski}\\
|
|
Beobachtungen:
|
|
\begin{itemize}
|
|
\item $U \in \fT_Z \gdw \exists f \in \mdr[X]$, sodass $\mdr \setminus U = V(f) = \Set{x \in \mdr | f(x) = 0}$
|
|
\item Es gibt keine disjunkten offenen Mengen in $\fT_Z$.
|
|
\end{itemize}
|
|
\item $X := \mdr^n, \fT_Z = \{U \subseteq \mdr^n | \text{Es gibt Polynome } f_1, \dots, f_r \in \mdr[X_1, \dots, X_n] \text{ sodass }\\\mdr^n \setminus U = V(f_1, \dots, f_r)\}$
|
|
\item $X := \Set{0,1}, \fT = \Set{\emptyset, \Set{0,1}, \Set{0}}$ heißt \enquote{Sierpińskiraum}.\xindex{Sierpińskiraum}\\
|
|
$\emptyset, \Set{0,1}, \Set{1}$ sind dort alle abgeschlossenen Mengen.
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{definition} \xindex{Umgebung}
|
|
Sei $(X, \fT)$ ein topologischer Raum und $x \in X$.
|
|
|
|
Eine Teilmenge $U \subseteq X$ heißt \textbf{Umgebung} von $x$,
|
|
wenn es ein $U_0 \in \fT$ gibt mit $x \in U_0$ und $U_0 \subseteq U$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{definition}
|
|
Sei $(X, \fT)$ ein topologischer Raum und $M \subseteq X$ eine Teilmenge.
|
|
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
|
|
\item $\displaystyle M^\circ := \Set{x \in M | M \text{ ist Umgebung von } x} = \bigcup_{\overset{U \subseteq M} {U \in \fT}} U $ heißt \textbf{Inneres} oder \textbf{ offener Kern} von $M$. \xindex{Inneres} \xindex{Kern!offener}
|
|
\item $\displaystyle \overline{M} := \bigcap_{\overset{M \subseteq A}{A \text{ abgeschlossen}}} A$ heißt \textbf{abgeschlossene Hülle} oder \textbf{Abschluss} von $M$. \xindex{Abschluss}
|
|
\item $\partial M := \overline{M} \setminus M^\circ$ heißt \textbf{Rand} von $M$. \xindex{Rand}
|
|
\item $M$ heißt \textbf{dicht} in $X$, wenn $\overline{M} = X$ ist. \xindex{dicht}
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
|
|
\item Sei $X = \mdr$ mit euklidischer Topologie und
|
|
$M = \mdq$. Dann gilt: $\overline{M} = \mdr$ und
|
|
$M^\circ = \emptyset$
|
|
\item Sei $X = \mdr$ und $M=(a,b)$. Dann gilt:
|
|
$\overline{M} = [a,b]$
|
|
\item Sei $X = \mdr, \fT = \fT_Z$ und $M = (a,b)$. Dann gilt:
|
|
$\overline{M} = \mdr$
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{definition} \xindex{Basis} \xindex{Subbasis}
|
|
Sei $(X, \fT)$ ein topologischer Raum.
|
|
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
|
|
\item $\fB \subseteq \fT$ heißt \textbf{Basis} der Topologie $\fT$,
|
|
wenn jedes $U \in \fT$ Vereinigung von Elementen aus $\fB$
|
|
ist.
|
|
\item $\fB \subseteq \fT$ heißt \textbf{Subbasis}, wenn jedes
|
|
$U \in \fT$ Vereinigung von endlich vielen Durchschnitten
|
|
von Elementen aus $\fB$ ist.
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
Gegeben sei $X = \mdr^n$ mit euklidischer Topologie $\fT$. Dann ist
|
|
\[\fB = \Set{B_r(x) | r \in \mdq_{> 0}, x \in \mdq^n}\]
|
|
ist eine abzählbare Basis von $\fT$.
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Sei $X$ eine Menge und $\fB \subseteq \powerset{X}$. Dann gibt es
|
|
genau eine Topologie $\fT$ auf $X$, für die $\fB$ Subbasis ist.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{definition} \xindex{Spurtopologie} \xindex{Teilraum}
|
|
Sei $(X, \fT)$ ein topologischer Raum und $Y \subseteq X$.\\
|
|
$\fT_Y := \Set{U \cap Y | U \in \fT}$ ist eine Topologie auf $Y$.
|
|
|
|
$\fT_Y$ heißt \textbf{Spurtopologie} und $(Y, \fT_Y)$ heißt ein
|
|
\textbf{Teilraum} von $(X, \fT)$
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
% Mitschrieb vom 24.10.2013 %
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
\begin{definition} \xindex{Produkttopologie}
|
|
Seien $X_1, X_2$ topologische Räume.\\
|
|
$U \subseteq X_1 \times X_2$ sei offen, wenn es zu jedem $x = (x_1, x_2) \in U$
|
|
Umgebungen $U_i$ um $x_i$ mit $i=1,2$ gibt, sodass $U_1 \times U_2 \subseteq U$
|
|
gilt.
|
|
|
|
$\fT = \Set{U \subseteq X_1 \times X_2 | U \text{ offen}}$
|
|
ist eine Topologie auf $X_1 \times X_2$. Sie heißt \textbf{Produkttopologie}.
|
|
$\fB = \Set{U_1 \times U_2 | U_i \text{ offen in } X_i, i=1,2}$
|
|
ist eine Basis von $\fT$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\input{figures/neighbourhood-topology}
|
|
\caption{Zu $x=(x_1, x_2)$ gibt es Umgebungen $U_1, U_2$ mit $U_1 \times U_2 \subseteq U$}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
|
|
\item $X_1 = X_2 = \mdr$ mit euklidischer Topologie.\\
|
|
$\Rightarrow$ Die Produkttopologie auf $\mdr \times \mdr = \mdr^2$
|
|
stimmt mit der euklidischen Topologie auf $\mdr^2$ überein.
|
|
\item $X_1 = X_2 = \mdr$ mit Zariski-Topologie.
|
|
$\fT$ Produkttopologie auf $\mdr^2$: $U_1 \times U_2$\\
|
|
(Siehe \cref{fig:zariski-topologie})
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\input{figures/zariski-topology}
|
|
\caption{Zariski-Topologie auf $\mdr^2$}
|
|
\label{fig:zariski-topologie}
|
|
\end{figure}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{definition} \xindex{Quotiententopologie}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum, $\sim$ eine Äquivalenzrelation auf $X$,
|
|
$\overline{X} = X /_\sim$ sei die Menge der Äquivalenzklassen,
|
|
$\pi: x \rightarrow \overline{x}, \;\;\; x \mapsto [x]_\sim$.
|
|
|
|
\[\fT_{\overline{X}} := \Set{U \subseteq \overline{X} | \pi^{-1}(U) \in \fT_X}\]
|
|
|
|
$(\overline{X}, \fT_{\overline{X}})$ heißt \textbf{Quotiententopologie}.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
$X = \mdr, a \sim b :\Leftrightarrow a-b \in \mdz$
|
|
|
|
\input{figures/number-ray-circle-topology}
|
|
|
|
$0 \sim 1$, d.~h. $[0] = [1]$
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
Sei $X = \mdr^2$ und $(x_1, y_1) \sim (x_2, y_2) \gdw x_1 - x_2 \in \mdz$
|
|
und $y_1 - y_2 \in \mdz$. Dann ist $X /_\sim$ ein Torus.
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{beispiel}\xindex{Raum!projektiver}
|
|
\begin{align*}
|
|
X= \mdr^{n-1} \setminus \Set{0},\;\;\; x \sim y &\gdw \exists \lambda \in \mdr^\times \text{ mit } y = \lambda x\\
|
|
&\gdw x \text{ und } y \text{ liegen auf der gleichen}\\
|
|
&\hphantom{\gdw} \text{Ursprungsgerade}
|
|
\end{align*}
|
|
\[\overline{X} = \praum^n(\mdr)\]
|
|
Also für $n=1$:\nopagebreak\\
|
|
\input{figures/ursprungsgeraden}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\section{Metrische Räume}
|
|
\begin{definition} \xindex{Metrik} \xindex{Raum!metrischer}
|
|
Sei $X$ eine Menge. Eine Abbildung $d:X\times X \rightarrow \mdr_0^+$
|
|
heißt \textbf{Metrik}, wenn gilt:
|
|
|
|
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
|
|
\item Definitheit: \tabto{4cm} $d(x,y) = 0 \gdw x = y \;\;\; \forall x, y \in X$
|
|
\item Symmetrie: \tabto{4cm} $d(x,y) = d(y,x) \;\;\; \forall x, y \in X$
|
|
\item Dreiecksungleichung: \tabto{4cm} $d(x,z) \leq d(x,y) + d(y,z) \;\;\; \forall x, y, z \in X$
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
Das Paar $(X, d)$ heißt ein \textbf{metrischer Raum}.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Sei $(X, d)$ ein metrischer Raum und
|
|
\[\fB_r(x) := \Set{y \in X | d(x,y) < r} \text{ für } x \in X, r \in \mdr^+\]
|
|
$\fB$ ist Basis einer Topologie auf $X$.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
Sei $V$ ein euklidischer oder hermiteischer Vektorraum mit Skalarprodukt
|
|
$\langle \cdot , \cdot \rangle$.
|
|
Dann wird $V$ durch $d(x,y) := \sqrt{\langle x-y, x-y \rangle}$ zum metrischen Raum.
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{beispiel}[diskrete Metrik] \xindex{Metrik!diskrete} \xindex{Topologie!diskrete}
|
|
Sei $X$ eine Menge. Dann heißt
|
|
\[d(x,y) = \begin{cases}
|
|
0 & \text{falls } x=y\\
|
|
1 & \text{falls } x \neq y
|
|
\end{cases}\]
|
|
die \textbf{diskrete Metrik}. Die Metrik $d$ induziert die
|
|
\textbf{diskrete Topologie}.
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
$X = \mdr^2$ und $d\left ((x_1, y_1), (x_2, y_2)\right ) := \max(\|x_1 - x_2\|, \|y_1 - y_2\|)$
|
|
ist Metrik.
|
|
|
|
\emph{Beobachtung:} $d$ erzeugt die euklidische Topologie.
|
|
|
|
\begin{figure}[ht]
|
|
\centering
|
|
\subfloat[$\fB_r(0)$]{
|
|
\input{figures/open-square}
|
|
\label{fig:open-square}
|
|
}%
|
|
\subfloat[Euklidische Topologie]{
|
|
\input{figures/quadrat-in-kreis-in-dots}
|
|
\label{fig:quadrat-in-kreis-in-dots}
|
|
}%
|
|
\label{fig:metrik}
|
|
\caption{Veranschaulichungen zur Metrik $d$}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{beispiel}[SNCF-Metrik\footnote{Diese Metrik wird auch \enquote{\href{https://de.wikipedia.org/wiki/Franz\%C3\%B6sische_Eisenbahnmetrik}{französische Eisenbahnmetrik}} genannt.}] \xindex{Metrik!SNCF}
|
|
$X = \mdr^2$
|
|
|
|
\input{figures/sncf-metrik}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{definition} \xindex{Raum!hausdorffscher}
|
|
Ein topologischer Raum $X$ heißt \textbf{hausdorffsch}, wenn es
|
|
für je zwei Punkte $x \neq y$ in $X$ Umgebungen $U_x$ um $x$
|
|
und $U_y$ um $y$ gibt, sodass $U_x \cap U_y = \emptyset$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}[Trennungseigenschaft]\label{Trennungseigenschaft}
|
|
Metrische Räume sind hausdorffsch, da
|
|
\[d(x,y) > 0 \Rightarrow \exists \varepsilon > 0: \fB_\varepsilon(x) \cap \fB_\varepsilon(y) = \emptyset\]
|
|
Ein Beispiel für einen topologischen Raum, der nicht hausdorffsch ist,
|
|
ist $(\mdr, \fT_Z)$.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Seien $X, X_1, X_2$ Hausdorff-Räume.
|
|
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
|
|
\item Jeder Teilraum um $X$ ist Hausdorffsch.
|
|
\item $X_1 \times X_2$ ist Hausdorffsch.
|
|
\end{enumerate}
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\input{figures/topology-metric-hausdorff}
|
|
\caption{Wenn $X_1, X_2$ hausdorffsch sind, dann auch $X_1 \times X_2$}
|
|
\end{figure}
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
% Mitschrieb vom 24.10.2013 %
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
\begin{definition} \xindex{Grenzwert} \xindex{Limes}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum und $(x)_{n \in \mdn}$ eine Folge
|
|
in $X$. $x \in X$ heißt \textbf{Grenzwert} oder \textbf{Limes}
|
|
von $(x_n)$, wenn es für jede Umgebung $U$ von $x$ ein $n_0$ gibt,
|
|
sodass $x_n \in U$ für alle $n \geq n_0$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Ist $X$ hausdorffsch, so hat jede Folge in $X$ höchstens einen
|
|
Grenzwert.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $(x_n)$ eine konvergierende Folge und $x$ und $y$ Grenzwerte der Folge.
|
|
|
|
Nach Voraussetzung gibt es Umgebungen $U_x$ von $x$ und $U_y$
|
|
von $y$ mit $U_x \cap U_y = \emptyset$. Es existiert ein
|
|
$n_0$ mit $x_n \in U_x \cap U_y$ für alle $n \geq n_0$
|
|
$\Rightarrow x = y \qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\section{Stetigkeit}\index{Stetigkeit|(}
|
|
\begin{definition}
|
|
Seien $X, Y$ topologische Räume und $f:X \rightarrow Y$ eine Abbildung.
|
|
|
|
\begin{defenum}
|
|
\item $f$ heißt \textbf{stetig}\xindex{Abbildung!stetige}, wenn für jedes offene
|
|
$U \subseteq Y$ auch $f^{-1} (U) \subseteq X$ offen ist. \label{def:stetigkeit}
|
|
\item $f$ heißt \textbf{Homöomorphismus}\xindex{Homöomorphismus}, wenn $f$ stetig ist
|
|
und es eine
|
|
stetige Abbildung $g: Y \rightarrow X$ gibt, sodass
|
|
$g \circ f = \id_X$ und $f \circ g = \id_Y$.
|
|
\end{defenum}
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begingroup
|
|
\renewcommand{\thmfoot}{\footnotemark}
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
\footnotetext[\thefootnote]{Im Grunde wird die Äquivalenz
|
|
von Stetigkeit im Sinne der Analysis und Topologie auf metrischen
|
|
Räumen gezeigt.}
|
|
Seien $X, Y$ metrische Räume und $f\colon X \rightarrow Y$ eine
|
|
Abbildung.
|
|
|
|
Dann gilt: $f$ ist stetig $\Leftrightarrow$ zu jedem $x \in X$ und
|
|
jedem $\varepsilon > 0$ gibt es $\delta(x, \varepsilon) > 0$, sodass
|
|
für alle $y \in X$ mit $d(x,y) < \delta $ gilt $d_Y(f(x), f(y)) <
|
|
\varepsilon$.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
\endgroup
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
\enquote{$\Rightarrow$}: Sei $x \in X, \varepsilon > 0$ gegeben
|
|
und $U := \fB_\varepsilon(f(x))$.\\
|
|
Dann ist $U$ offen in $Y$.\\
|
|
$\xRightarrow{\text{Def. }\ref{def:stetigkeit}} f^{-1}(U)$ ist
|
|
offen in $X$. Dann ist $x \in f^{-1}(U)$.\\
|
|
$\Rightarrow \exists \delta > 0$, sodass
|
|
$\fB_\delta(x) \subseteq f^{-1} (U)$\\
|
|
$\Rightarrow f(\fB_\delta(x)) \subseteq U$\\
|
|
$\Rightarrow \Set{y \in X | d_X(x,y) < \delta} \Rightarrow$ Beh.
|
|
|
|
\enquote{$\Leftarrow$}: Sei $U \subseteq Y$ offen, $X \in f^{-1}(U)$.\\
|
|
Dann gibt es $\varepsilon > 0$, sodass $\fB_\varepsilon(f(x)) \subseteq U$\\
|
|
$\xRightarrow{\text{Vor.}}$ Es gibt $\delta > 0$, sodass
|
|
$f(\fB_\delta(x)) \subseteq \fB_\varepsilon (f(x)))$\\
|
|
$\Rightarrow \fB_\delta(x) \subseteq f^{-1}(\fB_\varepsilon(f(x))) \subseteq f^{-1}(U)$
|
|
$\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Eine Ableitung $f: X \rightarrow Y$ von topologischen Räumen ist
|
|
genau dann stetig, wenn für jede abgeschlossene Teilmenge $A \subseteq Y$
|
|
gilt: $f^{-1}(A) \subseteq X$ ist abgeschlossen.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
|
|
\item Für jeden topologischen Raum $X$ gilt: $\id_X : X \rightarrow X$
|
|
ist Homöomorphismus.
|
|
\item Ist $Y$ trivialer topologischer Raum, d.~h. $\fT = \fT_\text{triv}$,
|
|
so ist jede Abbildung $f:X \rightarrow Y$ stetig.
|
|
\item Ist $X$ diskreter topologischer Raum, so ist $f:X \rightarrow Y$
|
|
stetig für jeden topologischen Raum $Y$ und jede Abbildung $f$.
|
|
\item Sei $X = [0, 1), Y = S^1 = \Set{z \in \mdc | \|z\| = 1}$
|
|
und $f(t) = e^{2 \pi i t}$
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\input{figures/topology-continuous-mapping}
|
|
\caption{Beispiel einer stetigen Funktion $f$, deren
|
|
Umkehrabbildung $g$ nicht stetig ist.}
|
|
\label{fig:nicht-stetige-umkehrabbildung}
|
|
\end{figure}
|
|
Die Umkehrabbildung $g$ ist nicht stetig, da $g^{-1}(U)$
|
|
nicht offen ist (vgl. \cref{fig:nicht-stetige-umkehrabbildung}).
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}[Verkettungen stetiger Abbildungen sind stetig]
|
|
Seien $X, Y, Z$ topologische Räume, $f:X \rightarrow Y$ und
|
|
$g:Y \rightarrow Z$ stetige Abbildungen.
|
|
|
|
Dann ist $g \circ f: X \rightarrow Z$ stetig.
|
|
|
|
\centerline{
|
|
\begin{xy}
|
|
\xymatrix{
|
|
X \ar[rr]^f \ar[rd]_{g \circ f} & & Y \ar[dl]^g \\
|
|
& Z &
|
|
}
|
|
\end{xy}
|
|
}
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $U \subseteq Z$ offen $\Rightarrow (g \circ f)^{-1} (U) = f^{-1} (g^{-1}(U))$.
|
|
$g^{-1}(U)$ ist offen in $Y$ weil $g$ stetig ist, $f^{-1}(g^{-1}(U))$
|
|
ist offen in $X$, weil $f$ stetig ist. $\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
|
|
\item Für jeden topologischen Raum ist
|
|
$\Homoo(X) := \Set{f: X \rightarrow X | f \text{ ist Homöomorphismus}}$
|
|
eine Gruppe.\xindex{Homöomorphismengruppe}
|
|
\item Jede Isometrie $f:X \rightarrow Y$ zwischen metrischen
|
|
Räumen ist ein Homöomorphismus.
|
|
\item $\Iso(X) := \Set{f:X \rightarrow X | f \text{ ist Isometrie}}$ ist
|
|
eine Untergruppe von $\Homoo(X)$ für jeden
|
|
metrischen Raum $X$.
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Seien $X, Y$ topologische Räume. $\pi_X: X \times Y \rightarrow X$
|
|
und $\pi_Y: X \times Y \rightarrow Y$ die Projektionen
|
|
\[\pi_X: (x,y) \mapsto x \text{ und } \pi_Y: (x,y) \mapsto y\]
|
|
Wird $X \times Y$ mit der Produkttopologie versehen, so sind $\pi_X$
|
|
und $\pi_Y$ stetig.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $U \subseteq X$ offen $\Rightarrow \pi_x^{-1} (U) = U \times Y$
|
|
ist offen in $X \times Y$. $\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum, $\sim$ eine Äquivalenzrelation auf
|
|
$X$, $\overline{X} = X /_\sim$ der Bahnenraum versehen mit der
|
|
Quotiententopologie, $\pi:X \rightarrow \overline{X}$, $x \mapsto [x]_\sim$.
|
|
|
|
Dann ist $\pi$ stetig.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Nach Definition ist
|
|
$U \subseteq \overline{X}$ offen $\gdw \pi^{-1}(U) \subseteq X$
|
|
offen. $\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\emph{Beobachtung:} Die Quotiententopologie ist die feinste Topologie,
|
|
sodass $\pi$ stetig wird.
|
|
|
|
\begin{beispiel}[Stereographische Projektion] \xindex{Projektion!stereographische}
|
|
$\mdr^n$ und $S^n \setminus \Set{N}$ sind homöomorph für
|
|
beliebiges $N \in S^n$. Es gilt:
|
|
|
|
\begin{align*}
|
|
S^n &= \Set{x \in \mdr^{n+1} | \|x\| = 1}\\
|
|
&= \Set{x \in \mdr^{n+1} | \sum_{i=1}^{n+1} x_i^2}
|
|
\end{align*}
|
|
|
|
\Obda sei $N = \begin{pmatrix}0\\ \vdots\\ 1\end{pmatrix}$. Die
|
|
Gerade durch $N$ und $P$ schneidet die Ebene $H$ in genau einem
|
|
Punkt $\hat{P}$. $P$ wird auf $\hat{P}$ abgebildet.
|
|
|
|
\begin{align*}
|
|
f: &S^n \setminus \Set{N} \rightarrow \mdr^n\\
|
|
P &\mapsto \overbrace{L_P \cap H}^\text{genau ein Punkt}
|
|
\end{align*}
|
|
|
|
wobei $\mdr^n = H = \Set{\begin{pmatrix}x_1\\ \vdots \\ x_{n+1}\end{pmatrix} \in \mdr^{n+1} | x_{n+1} = 0}$
|
|
und $L_P$ die Gerade in $\mdr^{n+1}$ durch $N$ und $P$ ist.
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\resizebox{0.9\linewidth}{!}{\input{figures/stereographic-projection}}
|
|
\caption{Visualisierung der stereographischen Projektion}
|
|
\label{fig:stereographic-projection}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Sei $P = \begin{pmatrix}x_1\\ \vdots \\ x_{n+1}\end{pmatrix}$, so
|
|
ist $x_{n+1} < 1$, also ist $L_P$ nicht parallel zu $H$. Also
|
|
schneiden sich $L_P$ und $H$ in genau einem Punkt $\hat{P}$.
|
|
|
|
Es gilt: $f$ ist bijektiv und die Umkehrabbildung ist ebenfalls
|
|
stetig.
|
|
\end{beispiel}
|
|
\index{Stetigkeit|)}
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
% Mitschrieb vom 31.10.2013 %
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
\section{Zusammenhang}\index{Zusammenhang|(}
|
|
\begin{definition}\xindex{zusammenhaengend@zusammenhängend}
|
|
Ein Raum $X$ heißt \textbf{zusammenhängend}, wenn es keine offenen,
|
|
nichtleeren Teilmengen $U_1, U_2$ von $X$ gibt mit
|
|
$U_1 \cap U_2 = \emptyset$ und $U_1 \cup U_2 = X$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
$X$ ist zusammenhängend $\gdw$ Es gibt keine abgeschlossenen,
|
|
nichtleeren Teilmengen $A_1, A_2$ mit $A_1 \cap A_2 = \emptyset$
|
|
und $A_1 \cup A_2 = X$.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Eine Teilmenge $Y \subseteq X$ heißt zusammenhängend, wenn $Y$
|
|
als topologischer Raum mit der Teilraumtopologie zusammenhängend ist.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
%\begin{beispiel}
|
|
%
|
|
%\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{beispiel}[Zusammenhang von Räumen]
|
|
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
|
|
\item $\mdr^n$ ist mit der euklidischen Topologie zusammenhängend,
|
|
denn:
|
|
|
|
\underline{Annahme}: $\mdr^n = U_1 \cup U_2$ mit $U_i$
|
|
offen, $U_i \neq \emptyset$ und $U_1 \cap U_2 = \emptyset$
|
|
existieren.
|
|
|
|
Sei $x \in U_1, y \in U_2$ und $[x,y]$ die Strecke zwischen $x$
|
|
und $y$. Dann ist $U_1 \cap [x,y]$ die Vereinigung von offenen
|
|
Intervallen. Dann gibt es $z \in [x,y]$ mit $z \in \partial (U_1 \cap [x,y])$,
|
|
aber $z \notin U_1 \Rightarrow z \in U_2$. In jeder Umgebung von
|
|
$z$ liegt ein Punkt von $U_1 \Rightarrow$ Widerspruch zu $U_2$ offen.
|
|
\item $\mdr \setminus \Set{0}$ ist nicht zusammenhängend, denn
|
|
$\mdr \setminus \Set{0} = \mdr_{< 0} \cup \mdr_{> 0}$
|
|
\item $\mdr^2 \setminus \Set{0}$ ist zusammenhängend.
|
|
\item $\mdq \subsetneq \mdr$ ist nicht zusammenhängend, da
|
|
$(\mdq \cap \mdr_{< \sqrt{2}}) \cup (\mdq \cap \mdr_{> \sqrt{2}}) = \mdq$
|
|
\item $\Set{x}$ ist zusammenhängend für jedes $x \in X$,
|
|
wobei $X$ ein topologischer Raum ist.
|
|
\item $\mdr$ mit Zariski-Topologie ist zusammenhängend\xindex{Topologie!Zariski}
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{zusammenhangAbschluss}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum und $A \subseteq X$ zusammenhängend.
|
|
Dann ist auch $\overline{A}$ zusammenhängend.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
\underline{Annahme}: $\overline{A} = A_1 \cup A_2,\; A_i$ abgeschlossen, $\neq \emptyset$,
|
|
$\;A_1 \cap A_2 = \emptyset$
|
|
\begin{align*}
|
|
&\Rightarrow A = \underbrace{\underbrace{(A \cap A_1)}_\text{abgeschlossen} \cup \underbrace{(A \cap A_2)}_\text{abgeschlossen}}_\text{disjunkt}\\
|
|
\end{align*}
|
|
|
|
Wäre $A \cap A_1 = \emptyset$\\
|
|
$\Rightarrow A \subseteq A_2$\\
|
|
$\Rightarrow \overline{A} \subseteq A_2$\\
|
|
$\Rightarrow A_1 = \emptyset$\\
|
|
$\Rightarrow$ Widerspruch zu $A_1 \neq \emptyset$\\
|
|
$\Rightarrow A \cap A_1 \neq \emptyset$ und analog
|
|
$A \cap A_2 \neq \emptyset$\\
|
|
$\Rightarrow$ Widerspruch zu $A$ ist zusammenhängend $ \qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{bem:zusammenhangVereinigung}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum und $A, B \subseteq X$ zusammenhängend.
|
|
|
|
Ist $A \cap B \neq \emptyset$, dann ist $A \cup B$ zusammenhängend.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $A \cup B = U_1 \cup U_2, U_i \neq \emptyset$ offen, disjunkt
|
|
\begin{align*}
|
|
&\xRightarrow{\text{\obda}} A = (A \cap U_1) \cup (A \cap U_2) \text{ offen, disjunkt}\\
|
|
&\xRightarrow{A \text{ zhgd.}} A \cap U_1 = \emptyset\\
|
|
&\xRightarrow{A \cap B \neq \emptyset} U_1 \subseteq B\\
|
|
&B = \underbrace{(B \cap U_1)}_{= U_1} \cup \underbrace{(B \cap U_2)}_{= \emptyset} \text{ ist unerlaubte Zerlegung}
|
|
\end{align*}
|
|
$\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{Zusammenhangskomponente}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum.
|
|
|
|
Für $x \in X$ sei
|
|
\[Z(x) := \bigcup_{\substack{A \subseteq X \text{zhgd.}\\ X \in A}} A\]
|
|
|
|
$Z(x)$ heißt \textbf{Zusammenhangskomponente}.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum. Dann gilt:
|
|
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
|
|
\item $Z(X)$ ist die größte zusammenhängende Teilmenge von $X$,
|
|
die $x$ enthält.
|
|
\item $Z(X)$ ist abgeschlossen.
|
|
\item $X$ ist disjunkte Vereinigung von Zusammenhangskomponenten.
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}\leavevmode
|
|
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
|
|
\item Sei $Z(x) = A_1 \cup A_2$ mit $A_i \neq \emptyset$ abgeschlossen,
|
|
disjunkt.
|
|
|
|
\Obda sei $x \in A_1$ und $y \in A_2$. $y$ liegt in einer zusammehängenden
|
|
Teilmenge $A$, die auch $x$ enthält.
|
|
$\Rightarrow A = \underbrace{(A \cap A_1)}_{\ni x} \cup \underbrace{(A \cap A_2)}_{\ni y}$
|
|
ist unerlaubte Zerlegung.
|
|
\item Nach \cref{zusammenhangAbschluss} ist $\overline{Z(x)}$
|
|
zusammenhängend $\Rightarrow \overline{Z(x)} \subseteq Z(x)$
|
|
$\Rightarrow Z(x) = \overline{Z(x)}$
|
|
\item Ist $Z(y) \cap Z(x) \neq \emptyset \xRightarrow{\crefabbr{bem:zusammenhangVereinigung}} Z(y) \cup Z(x)$
|
|
ist zusammenhängend. \\
|
|
\begin{align*}
|
|
\Rightarrow Z(x) \cup Z(y) &\subseteq Z(x) \Rightarrow Z(y) \subseteq Z(x)\\
|
|
&\subseteq Z(y) \Rightarrow Z(x) \subseteq Z(y)
|
|
\end{align*}
|
|
\end{enumerate}
|
|
|
|
$\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}
|
|
Sei $f:X \rightarrow Y$ stetig. Ist $A \subseteq X$ zusammenhängend,
|
|
so ist $f(A) \subseteq y$ zusammenhängend.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $f(A) = U_1 \cup U_2, U_i \neq \emptyset,$ offen, disjunkt.
|
|
|
|
$\Rightarrow f^{-1} (f(A)) = f^{-1}(U_1) \cup f^{-1}(U_2)$
|
|
|
|
$\Rightarrow A = \underbrace{(A \cap f^{-1}(U_1))}_{\neq \emptyset} \cup \underbrace{(A \cap f^{-1}(U_2))}_{\neq \emptyset} \qed$
|
|
\end{beweis}\index{Zusammenhang|)}
|
|
|
|
\section{Kompaktheit}
|
|
\begin{definition}\xindex{Ueberdeckung@""Uberdeckung}
|
|
Sei $X$ eine Menge und $T \subseteq \powerset{X}$.
|
|
|
|
$T$ heißt eine \textbf{Überdeckung} von $X$, wenn gilt:
|
|
\[\forall x \in X: \exists M \in T: x \in M\]
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{kompakt}
|
|
Ein topologischer Raum $X$ heißt \textbf{kompakt}, wenn jede
|
|
offene Überdeckung $\mathfrak{U}$ von $X$ eine endliche Teilüberdeckung besitzt.
|
|
|
|
\[\mathfrak{U} = \Set{U_i}_{i \in I},\;\;\;U_i \text{ offen in } X,\;\;\;\bigcup_{i \in I} U_i = X\]
|
|
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
% Mitschrieb vom 05.11.2013 %
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{abgeschlossen01IstKompakt}
|
|
$I = [0, 1]$ ist kompakt bezüglich der euklidischen Topologie.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
\todo{Der Beweis ist komisch. Das würde ich gerne mit jemanden durchsprechen.}
|
|
Sei $(U_i)_{i \in J}$ eine offene Überdeckung von $I$.
|
|
|
|
\underline{z.~Z.}: Es gibt ein $\delta > 0$, sodass jedes Teilintervall
|
|
der Länge $\delta$ von $I$ in einem der $U_i$ enthalten ist.
|
|
|
|
Angenommen, es gibt kein solches $\delta$. Dann gibt es für jedes
|
|
$n \in \mdn$ ein Intervall $I_n \subseteq [0,1]$ der Länge $\nicefrac{1}{n}$
|
|
sodass $I_n \not\subseteq U_i$ für alle $i \in I$.
|
|
|
|
Sei $x_n$ der Mittelpunkt von $I_n$. Die Folge $(x_n)$ hat einen
|
|
Häufungspunkt $x \in [0,1]$. Dann gibt es $i \in I$ mit $x \in U_i$.
|
|
Da $U_i$ offen ist, gibt es ein $\varepsilon > 0$, sodass $(x - \varepsilon, x + \varepsilon) \subseteq U_i$.
|
|
Dann gibt es $n$ mit $\nicefrac{1}{n} < \nicefrac{\varepsilon}{2}$ und
|
|
$|x - x_n| < \nicefrac{\varepsilon}{2}$, also $I_n \subseteq (x - \varepsilon, x + \varepsilon) \subseteq U_i$
|
|
|
|
$\Rightarrow$ Widerspruch
|
|
|
|
Dann überdecke $[0,1]$ mit endlich vielen Intervallen $I_1, \dots, I_d$
|
|
der Länge $\delta$. Jedes $I_j$ ist in $U_{ij}$ enthalten.
|
|
|
|
$\Rightarrow U_{j_1}, \dots, U_{j_d}$ ist endliche Teilüberdeckung von $U$
|
|
$\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
\begin{enumerate}[label=\arabic*)]
|
|
\item $\mdr$ ist nicht kompakt.
|
|
\item $(0,1)$ ist nicht kompakt.\\
|
|
$U_n = (\nicefrac{1}{n}, 1-\nicefrac{1}{n}) \Rightarrow \bigcup_{n \in \mdn} U_n = (0,1)$
|
|
\item $\mdr$ mit der Zariski-Topologie ist kompakt und jede
|
|
Teilmenge von $\mdr$ ist es auch.\xindex{Topologie!Zariski}
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{abgeschlossenInKomaktIstKompakt}
|
|
Sei $X$ kompakter Raum, $A \subseteq X$ abgeschlossen. Dann ist
|
|
$A$ kompakt.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $(V_{i})_{i \in I}$ offene Überdeckung von A.\\
|
|
Dann gibt es für jedes $i \in I$ eine offene Teilmenge $U_{i} \subseteq X$ mit $V_{i}=U_{i} \cap A$.
|
|
\begin{align*}
|
|
&\Rightarrow A \subseteq \bigcup_{i \in I} U_i\\
|
|
&\Rightarrow \mathfrak{U} = \Set{U_i | i \in I} \cup \Set{X \setminus A} \text{ ist offene Überdeckung von } X\\
|
|
&\xRightarrow{X \text{ kompakt}} \text{ es gibt } i_1, \dots, i_n \in I\text{, sodass }\bigcup_{j=1}^n U_{i_j} \cup (X \setminus A) = X\\
|
|
&\Rightarrow \left (\bigcup_{j=1}^n U_{i_j} \cup (X \setminus A)\right ) \cap A = A\\
|
|
&\Rightarrow \bigcup_{j=1}^n \underbrace{(U_{i_j} \cap A)}_{= V_{i_j}} \cup \underbrace{((X \setminus A) \cap A)}_{= \emptyset} = A\\
|
|
&\Rightarrow V_{i_1}, \dots, V_{i_n} \text{ überdecken } A
|
|
\end{align*}
|
|
$\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{kompaktTimesKompaktIstKompakt}
|
|
Seien $X, Y$ kompakte topologische Räume. Dann ist $X \times Y$
|
|
mit der Produkttopologie kompakt.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $(W_i)_{i \in I}$ eine offene Überdeckung von $X \times Y$.
|
|
Für jedes $(x,y) \in X \times Y$ gibt es offene Teilmengen
|
|
$U_{x,y}$ von $X$ und $V_{x,y}$ von $Y$ sowie ein $i \in I$, sodass
|
|
$U_{x,y} \times V_{x,y} \subseteq W_i$.
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\input{figures/neighbourhood-topology-open}
|
|
\caption{Die blaue Umgebung ist Schnitt vieler Umgebungen}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Die offenen Mengen $U_{x_0, y} \times V_{x_0, y}$ für festes $x_0$
|
|
und alle $y \in Y$ überdecken $\Set{x_0} \times y$. Da $Y$ kompakt
|
|
ist, ist auch $\Set{x_0} \times Y$ kompakt. Also gibt es
|
|
$y_1, \dots, y_{m(x_0)}$ mit
|
|
$\bigcup_{i=1}^{m(x_0)} U_{x_0, y_i} \times V_{x_0, y_i} \supseteq \Set{x_0} \times Y$.
|
|
|
|
Sei ${\color{blue} U_{x_0}} := \bigcap_{i=1}^{m(x)} U_{x_0, y_i}$.
|
|
Da $X$ kompakt ist, gibt es $x_1, \dots, x_n \in X$ mit
|
|
$\bigcup_{j=1}^n U_{x_j} = X$\\
|
|
$\Rightarrow \bigcup_{j=1}^k \bigcup_{i=1}^{m(x_j)} \underbrace{\left ( U_{x_j, y_i} \times V_{x_j, y_i} \right)}_{\text{Ein grün-oranges Kästchen}} \supseteq X \times Y$\\
|
|
$\Rightarrow \bigcup_j \bigcup_i W_i (x_j, y_i) = X \times Y \qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{hausdorffraumKompakteTeilmengeAbgeschlossen}
|
|
Sei $X$ ein Hausdorffraum und $K \subseteq X$ kompakt.
|
|
Dann ist $K$ abgeschlossen.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
\underline{z.~Z.:} Komplement ist offen
|
|
|
|
Ist $X = K$, so ist $K$ abgeschlossen in $X$. Andernfalls sei
|
|
$y \in X \setminus K$. Für jedes $x \in K$ seien $U_x$ bzw. $V_y$
|
|
Umgebungen von $x$ bzw. von $y$, sodass $U_x \cap V_y = \emptyset$.
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\input{figures/topology-1}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Da $K$ kompakt ist, gibt es endlich viele $x_1, \dots, x_n \in K$,
|
|
sodass $\bigcup_{i=1}^m U_{x_i} \supseteq K$.
|
|
|
|
\begin{align*}
|
|
&\text{Sei } V := \bigcap_{i=1}^n V_{x_i}\\
|
|
&\Rightarrow V \cap \left (\bigcup_{i=1}^n U_{x_i} \right) = \emptyset \\
|
|
&\Rightarrow V \cap K = \emptyset\\
|
|
&\Rightarrow V \text{ ist Überdeckung von } y\text{, die ganz in } X \setminus K \text{ enthalten ist}.\\
|
|
&\Rightarrow X \setminus K \text{ ist offen}
|
|
\end{align*}
|
|
Damit ist $K$ abgeschlossen. $\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{kor:5.6}%In Vorlesung: Bemerkung 5.6
|
|
Seien $X, Y$ topologische Räume, $f: X \rightarrow Y$ stetig.
|
|
Ist $K \subseteq X$ kompakt, so ist $f(K) \subseteq Y$ kompakt.
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Sei $(V_i)_{i \in I}$ offene Überdeckung von $f(K)$\\
|
|
$\xRightarrow{f \text{ stetig}} (f^{-1}(V_i))_{i \in I}$ ist offene Überdeckung von $K$\\
|
|
$\xRightarrow{\text{Kompakt}}$ es gibt $i_1, \dots, i_n$,
|
|
sodass $f^{-1}(V_{i_1}), \dots, f^{-1}(V_{i_n})$ Überdeckung von
|
|
$K$ ist.\\
|
|
$\Rightarrow f(f^{-1}( V_{i_1})), \dots, f(f^{-1}(V_{i_n}))$
|
|
überdecken $f(K)$.
|
|
|
|
Es gilt: $f(f^{-1}(V)) = V \cap f(X) \qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{satz}[Heine-Borel]\label{satz:heine-borel}%In Vorlesung: Proposition 5.7
|
|
Eine Teilmenge von $\mdr^n$ oder $\mdc^n$ ist genau dann kompakt,
|
|
wenn sie beschränkt und abgeschlossen ist.
|
|
\end{satz}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
\enquote{$\Rightarrow$}: Sei $K \subseteq \mdr^n$ (oder $\mdc^n$)
|
|
kompakt.
|
|
|
|
Da $\mdr^n$ und $\mdc^n$ hausdorffsch sind, ist $K$ nach
|
|
\cref{hausdorffraumKompakteTeilmengeAbgeschlossen} abgeschlossen.
|
|
Nach Voraussetzung kann $K$ mit endlich vielen offenen Kugeln von
|
|
Radien 1 überdeckt werden $\Rightarrow K$ ist beschränkt.
|
|
|
|
\enquote{$\Leftarrow$} Sei $A \subseteq \mdr^n$ (oder $\mdc^n$)
|
|
beschränkt und abgeschlossen.
|
|
|
|
Dann gibt es einen Würfel $W = \underbrace{[-N, N] \times \dots \times [-N, N]}_{n \text{ mal}}$
|
|
mit $A \subseteq W$ bzw. \enquote{Polyzylinder}\xindex{Polyzylinder}
|
|
$Z = \Set{(z_1, \dots, z_n) \in \mdc^n | z_i \leq N \text{ für } i= 1, \dots, n}$
|
|
|
|
Nach \cref{kompaktTimesKompaktIstKompakt} und
|
|
\cref{abgeschlossen01IstKompakt} ist $W$ kompakt, also ist $A$
|
|
nach \cref{abgeschlossenInKomaktIstKompakt} auch kompakt.
|
|
Genauso ist $Z$ kompakt, weil
|
|
\[\Set{z \in \mdc | |z| \leq 1}\]
|
|
homöomorph zu
|
|
\[\Set{(x,y) \in \mdr^2 | \|(x,y)\| \leq 1}\]
|
|
ist. $\qed$
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
% Mitschrieb vom 07.11.2013 %
|
|
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
\section{Wege und Knoten}\index{Knoten|(}
|
|
\begin{definition}\xindex{Weg}\xindex{Weg!geschlossener}\xindex{Weg!einfacher}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum.
|
|
\begin{enumerate}[label=\alph*)]
|
|
\item Ein \textbf{Weg} in $X$ ist eine stetige Abbildung $\gamma:[0,1] \rightarrow X$.
|
|
\item $\gamma$ heißt \textbf{geschlossen}, wenn $\gamma(1) = \gamma(0)$ gilt.
|
|
\item $\gamma$ heißt \textbf{einfach}, wenn $\gamma|_{[0,1]}$
|
|
injektiv ist.
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
Ist $X$ diskret, so ist jeder Weg konstant, d.~h. von der Form
|
|
\[\forall x \in [0,1]: \gamma(x) = c, \;\;\; c \in X\]
|
|
Denn $\gamma([0,1])$ ist zusammenhängend für jeden Weg $\gamma$.
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{Wegzusammenhang}
|
|
Ein topologischer Raum $X$ heißt \textbf{wegzusammenhängend},
|
|
wenn es zu je zwei Punkten $x,y \in X$ einen Weg $\gamma:[0,1] \rightarrow X$
|
|
gibt mit $\gamma(0)=x$ und $\gamma(1)=y$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{bemerkung}\label{kor:wegzusammehang-impliziert-zusammenhang}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum.
|
|
|
|
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
|
|
\item $X$ ist wegzusammenhängend $\Rightarrow X$ ist zusammenhängend
|
|
\item $X$ ist wegzusammenhängend $\not\Leftarrow X$ ist zusammenhängend
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{bemerkung}
|
|
|
|
\begin{beweis}~\\
|
|
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
|
|
\item Sei $X$ ein wegzusammenhängender topologischer Raum, $A_1, A_2$
|
|
nichtleere, disjunkte, abgeschlossene Teilmengen von $X$ mit
|
|
$A_1 \cup A_2 = X$. Sei $x \in A_1, y \in A_2, \gamma:[0,1] \rightarrow X$
|
|
ein Weg von $x$ nach $y$.
|
|
|
|
Dann ist $C:= \gamma([0,1]) \subseteq X$ zusammenhängend, weil
|
|
$\gamma$ stetig ist.
|
|
\[C = \underbrace{(C \cap A_1)}_{\ni x} \cup \underbrace{(C \cap A_2)}_{\ni y}\]
|
|
ist Zerlegung in nichtleere, disjunkte, abgeschlossene Teilmengen
|
|
$\Rightarrow$ Widerspruch
|
|
|
|
\item Sei $X = \Set{(x,y) \in \mdr^2| x^2 + y^2 = 1 \lor y = 1 +2\cdot e^{-\frac{1}{10} x}}$.
|
|
|
|
\Cref{fig:topology-spiral} veranschaulicht diesen Raum.
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\subfloat[Spirale $S$ mit Kreis $C$]{
|
|
\resizebox{0.25\linewidth}{!}{\input{figures/topology-spiral}}
|
|
\label{fig:topology-spiral}
|
|
}%
|
|
\subfloat[Sinus]{
|
|
\resizebox{0.65\linewidth}{!}{\input{figures/topology-sinx.tex}}
|
|
\label{fig:sinx}
|
|
}%
|
|
|
|
\caption{Beispiele für Räume, die zusammenhängend, aber nicht wegzusammenhängend sind.}
|
|
\label{fig:zusammenhang-beispiele}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
Sei $U_1 \cup U_2 = X, U_1 \neq U_2 = \emptyset, U_i$ offen.
|
|
$X = C \cup S$. Dann ist $C \subseteq U_1$ oder $C \subseteq U_2$,
|
|
weil $C$ und $S$ zusammenhängend sind.
|
|
|
|
Also ist $C = U_1$ und $S = U_2$ (oder umgekehrt).
|
|
|
|
Sei $\gamma \in C = U_1, \varepsilon > 0$ und $\fB_\varepsilon (y) \subseteq U_1$
|
|
eine Umgebung von $y$, die in $U_1$ enthalten ist.
|
|
|
|
Aber: $\fB_\varepsilon(y) \cap S \neq \emptyset \Rightarrow$
|
|
Widerspruch
|
|
$\qed$
|
|
\end{enumerate}
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\textbf{Achtung:} Es gibt stetige, surjektive Abbildungen
|
|
$[0,1] \rightarrow [0,1] \times [0,1]$. Ein Beispiel ist die
|
|
in \cref{fig:hilbert-curve} dargestellte Hilbert-Kurve.
|
|
|
|
\input{figures/hilbert-curve}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{Jordankurve}\xindex{Jordankurve!geschlossene}
|
|
Sei $X$ ein topologischer Raum. Eine (geschlossene)
|
|
\textbf{Jordankurve} in $X$ ist ein Homöomorphismus
|
|
$\gamma: [0, 1] \rightarrow C \subseteq X$
|
|
($\gamma: S^1 \rightarrow C \subseteq X$)
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{satz}[Jordanscher Kurvensatz]
|
|
Ist $C=\gamma([0,1])$ eine geschlossene Jordankurve in $\mdr^2$,
|
|
so hat $\mdr^2 \setminus C$ genau zwei Zusammenhangskomponenten,
|
|
von denen eine beschränkt ist und eine unbeschränkt.
|
|
\end{satz}
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\input{figures/topology-jordan}
|
|
\label{fig:jordan-kurvensatz}
|
|
\caption{Die unbeschränkte Zusammenhangskomponente wird häufig inneres, die beschränkte äußeres genannt.}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
ist technisch mühsam und wird daher hier nicht geführt. Er kann
|
|
in \enquote{Algebraische Topologie: Eine Einführung} von R.~Stöcker
|
|
und H.~Zieschang auf S. 301f (ISBN 978-3519122265) nachgelesen werden.
|
|
|
|
Idee: Ersetze Weg $C$ durch Polygonzug.
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{Knoten}
|
|
Eine geschlossene Jordankurve in $\mdr^3$ heißt \textbf{Knoten}.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{beispiel}
|
|
\xindex{Kleeblattknoten}\xindex{Achterknoten}\xindex{Knoten!trivialer}
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\subfloat[Trivialer Knoten]{
|
|
\includegraphics[width=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/blue-unknot.png}
|
|
\label{fig:knot-unknot}
|
|
}%
|
|
\subfloat[Kleeblattknoten]{
|
|
\includegraphics[width=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/blue-trefoil-knot.png}
|
|
\label{fig:knot-trefoil}
|
|
}%
|
|
\subfloat[Achterknoten]{
|
|
\includegraphics[width=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/blue-eight-knot.png}
|
|
\label{fig:knot-eight-knot}
|
|
}%
|
|
\subfloat[$6_2$-Knoten]{
|
|
\includegraphics[width=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/blue-6-2-knot.png}
|
|
\label{fig:knot-6-2}
|
|
}
|
|
|
|
\caption{Beispiele für verschiedene Knoten}
|
|
\label{fig:Knoten}
|
|
\end{figure}
|
|
\end{beispiel}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{Knoten!äquivalente}\xindex{Isotopie}
|
|
Zwei Knoten $\gamma_1, \gamma_2: S^1 \rightarrow \mdr^3$ heißen
|
|
\textbf{äquivalent}, wenn es eine stetige Abbildung
|
|
$H: S^1 \times [0,1] \Rightarrow \mdr^3$ gibt mit
|
|
$H(z,0) = \gamma_1(z), H(z,1) = \gamma_2(z)$ und für jedes
|
|
feste $t \in [0,1]$ ist $H_z: S^1 \rightarrow \mdr^2, z \mapsto H(z,t)$
|
|
ein Knoten. Die Abbildung $H$ heißt \textbf{Isotopie} zwischen
|
|
$\gamma_1$ und $\gamma_2$.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{Knotendiagramm}
|
|
Ein \textbf{Knotendiagramm} eines Knotens $\gamma$ ist eine
|
|
Projektion $\pi: \mdr^3 \rightarrow E$ auf eine Ebene $E$, sodass
|
|
$|(\pi|C)^{-1}(x)| \leq 2$ für jedes $x \in D$.
|
|
|
|
Ist $(\pi|C)^{-1}(x) = \Set{y_1, y_2}$, so \textbf{liegt $y_1$ über $y_2$},
|
|
wenn $(y_1-x) = \lambda (y_2 - x)$ für ein $\lambda > 1$ ist.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{satz}[Reidemeister]
|
|
Zwei endliche Knotendiagramme gehören genau dann zu äquivalenten
|
|
Knoten, wenn sie durch endlich viele \enquote{Reidemeister-Züge}
|
|
in einander überführt werden können.
|
|
\end{satz}
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\subfloat[$\Omega_1$]{
|
|
\includegraphics[height=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/reidemeister-move-1.png}
|
|
\label{fig:reidemeister-1}
|
|
}\qquad\qquad%
|
|
\subfloat[$\Omega_2$]{
|
|
\includegraphics[height=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/reidemeister-move-2.png}
|
|
\label{fig:reidemeister-2}
|
|
}
|
|
|
|
\subfloat[$\Omega_3$]{
|
|
\includegraphics[height=0.2\linewidth, keepaspectratio]{figures/reidemeister-move-3.png}
|
|
\label{fig:reidemeister-3}
|
|
}
|
|
|
|
\caption{Reidemeister-Züge}
|
|
\label{fig:reidemeister-zuege}
|
|
\end{figure}
|
|
|
|
\begin{beweis}
|
|
Durch sorgfältige Fallunterscheidung.\footnote{Siehe \enquote{Knot Theory and Its Applications} von Kunio Murasugi. ISBN 978-0817638177.}
|
|
\end{beweis}
|
|
|
|
\begin{definition}\xindex{Färbbarkeit}
|
|
Ein Knotendiagramm heißt \textbf{3-färbbar},
|
|
wenn jeder Bogen von $D$ so mit einer Farbe gefärbt werden kann,
|
|
dass an jeder Kreuzung eine oder 3 Farben auftreten und alle 3
|
|
Farben auftreten.
|
|
\end{definition}
|
|
|
|
\begin{figure}[htp]
|
|
\centering
|
|
\includegraphics[height=0.3\linewidth, keepaspectratio]{figures/tricoloring.png}
|
|
|
|
\caption{Ein 3-gefärber Kleeblattknoten}
|
|
\label{fig:treefoil-knot-three-colors}
|
|
\end{figure}
|
|
\index{Knoten|)}
|
|
|
|
% Die Übungsaufgaben sollen ganz am Ende des Kapitels sein.
|
|
\input{Kapitel1-UB}
|