Общая топология. Основные конструкции
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Геометрия и топология
Издательство:
Физматлит
Год издания: 2016
Кол-во страниц: 336
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 5-9221-0618-X
Артикул: 616562.02.99
В учебном пособии, представляющем собой изложение курса лекций, читаемых авторами на механико-математическом факультете МГУ, рассмотрены основные понятия теории топологических пространств: спектры, произведения и степени топологических пространств, пространства замкнутых и бикомпактных подмножеств, пространства отображений и др., и их приложения к другим областям математики. Для студентов математических специальностей вузов.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 01.03.01: Математика
- 01.03.02: Прикладная математика и информатика
- 01.03.03: Механика и математическое моделирование
- 01.03.04: Прикладная математика
- 02.03.01: Математика и компьютерные науки
- 02.03.02: Фундаментальная информатика и информационные технологии
- 02.03.03: Механика и математическое моделирование
- 03.03.01: Прикладные математика и физика
- 03.03.02: Прикладная математика и информатика
- 03.03.03: Механика и математическое моделирование
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов
УДК 515.12 ББК 22.152 Ф 33 Ф е до р ч у к В. В., Ф и л и п п о в В. В. Общая топология. Основные конструкции: Учеб. пособие. — 2-е изд., испр. и доп. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. — 336 с. — ISBN 5-9221-0618-X. В учебном пособии, представляющем собой изложение курса лекций, читаемых авторами на механико-математическом факультете МГУ, рассмотрены основные понятия теории топологических пространств: спектры, произведения и степени топологических пространств, пространства замкнутых и бикомпактных подмножеств, пространства отображений и др., и их приложения к другим областям математики. Для студентов математических специальностей вузов. Учебное издание ФЕДОРЧУК Виталий Витальевич ФИЛИППОВ Владимир Васильевич ОБЩАЯ ТОПОЛОГИЯ. ОСНОВНЫЕ КОНСТРУКЦИИ Редактор Е.Ю. Ходан Оригинал-макет М.С. Ярыкиной Оформление переплета А.А. Логунова Подписано в печать 25.10.05. Формат 6090/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 21. Уч.-изд. л. 21,0. Тираж 2000 экз. Заказ № Издательская фирма «Физико-математическая литература» МАИК «Наука/Интерпериодика» 117997, Москва, ул. Профсоюзная, 90 E-mail: fizmat@maik.ru, fmlsale@maik.ru; http://www.fml.ru Отпечатано с готовых диапозитивов в ППП «Типография «Наука» 121099, г. Москва, Шубинский пер., 6 ISBN 5-9221-0618-X 9+HifJ C-LKQLSO+ ISBN 5-9221-0618-X c⃝ ФИЗМАТЛИТ, 2006 c⃝ В. В. Федорчук, В. В. Филиппов, 2006
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Г л а в а I. Топологические пространства . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 § 1. Топологические пространства и непрерывные отображения. . 9 § 2. Аксиомы отделимости. Лемма Урысона. Теорема Брауэра– Титце–Урысона о продолжении функций . .. . . . . . . . . . . . . . 14 § 3. Метрические пространства. Полные и топологически полные пространства. Некоторые стандартные метрические пространства . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . 20 § 4. Бикомпактные пространства. Лемма Александера. Теорема Вейерштрасса–Стоуна. Компактность в метризуемых пространствах . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 Г л а в а II. ПРОИЗВЕДЕНИЯ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 § 1. Определения произведения топологических пространств и отображений . .. . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 § 2. Послойное и веерное произведение отображений и пространств . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 § 3. Теоремы Тихонова. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 § 4. Примеры топологических произведений и следствия из теорем Тихонова. Бикомпактные расширения . .. . . . . . . . . .. . . . 49 § 5. Операции над покрытиями. Нульмерные и n-мерные пространства . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 § 6. Диадические бикомпакты . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 Г л а в а III. ОБРАТНЫЕ СПЕКТРЫ ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ПРОСТРАНСТВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 § 1. Определение и элементарные свойства обратных спектров . . 76
Оглавление § 2. Связь спектров и произведений . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 § 3. Теорема о спектральном представлении отображений. .. . . . . 90 Г л а в а IV. ПРОСТРАНСТВА ЗАМКНУТЫХ ПОДМНОЖЕСТВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 § 1. Верхний и нижний пределы последовательности множеств 95 § 2. Предел сходящейся последовательности множеств . .. . . . . . 99 § 3. Топология Виеториса . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 100 § 4. Пространство expk X. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 § 5. Пространство замкнутых подмножеств бикомпакта. .. .. .. . . . 108 § 6. Пространство бикомпактных подмножеств . .. . . . . . . . . . . . . 109 § 7. Метрика Хаусдорфа . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 § 8. Заключительные замечания. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 Г л а в а V. ПРОСТРАНСТВО ОТОБРАЖЕНИЙ . . . . . . . . . . . 117 § 1. Метрика и норма равномерной сходимости . .. . . . . . . . . . . . 117 § 2. Бикомпактно-открытая топология и топология поточечной сходимости в пространстве непрерывных отображений. .. . . . 119 § 3. Бикомпактно-открытая топология пространства отображений локально бикомпактного пространства. .. . . . . . . . . . . . . . . . 123 Г л а в а VI. МНОГОЗНАЧНЫЕ ОТОБРАЖЕНИЯ . . . . . . . . . 125 § 1. Полунепрерывные снизу отображения . .. . . . . . . . . . . . . . . . 125 § 2. Полунепрерывные снизу отображения с выпуклыми значениями. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . 127 § 3. Симплициальные комплексы и нервы покрытий . .. . . . . . . . . 131 § 4. Экви-LCn-семейства . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 § 5. Полунепрерывные снизу отображения в банахово пространство со значениями из экви-LCn-семейства . .. . . . . . . . . . . . 140 § 6. Теорема о продолжении селекции для отображения со значениями из экви-LCn-семейства . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 § 7. Полунепрерывные сверху отображения . .. . . . . . . . . . . . . . . 151 § 8. Связь с топологией Виеториса . .. . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 154
Оглавление 5 Г л а в а VII. КОВАРИАНТНЫЕ ФУНКТОРЫ В КАТЕГОРИИ БИКОМПАКТОВ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 § 1. Функторы экспоненциального типа . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 § 2. Экспоненты канторовых дисконтинуумов . .. . . . . . . . . . . . . 160 § 3. Пространство мер. Функторы вероятностных мер. .. . . . . . . . 163 § 4. Функтор суперрасширения . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 § 5. Нормальные и монадичные функторы . .. . . . . . . . .. . . . . . . . 181 Г л а в а VIII. ПРОСТРАНСТВА ДУГУНДЖИ И ПРОСТРАНСТВА МИЛЮТИНА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 § 1. Теорема Хана–Банаха и тензорное произведение мер . .. . . . . 194 § 2. Регулярные операторы. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 § 3. Операторы продолжения и усреднения. .. . . . . . . . . . . . . . . . 199 § 4. Пространства Милютина. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . 203 § 5. Пространства Дугунджи и нуль-мягкие отображения. .. . . . . 208 § 6. Несовпадение классов Милютина и Дугунджи . .. . . . . . . . . 219 Г л а в а IX. ПРОСТРАНСТВА ЧАСТИЧНЫХ ОТОБРАЖЕНИЙ И ПРОСТРАНСТВА РЕШЕНИЙ ОБЫКНОВЕННЫХ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ . . . . . . . 225 § 1. Пространства частичных отображений. .. . . . . . . . . .. . . . . . . 225 § 2. Компактность в пространстве частичных отображений. .. . . . 233 § 3. Непрерывность зависимости решений обыкновенных дифференциальных уравнений от начальных условий и правой части . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 § 4. Сходимость последовательностей пространств решений . .. . . 249 § 5. Теорема Кнезepa . .. . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254 § 6. Автономные и близкие к ним пространства . .. . . . . . . . . . . . 260 § 7. Теорема о существовании стационарной точки . .. . . . . . . . . . 266 § 8. Теорема Пуанкаре–Бендиксона . .. . . . . . . . . . . . . . . . .. .. . . . 270 § 9. Некоторые геометрические свойства пространств решений . . 277 § 10. Заключительные замечания. .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 Список литературы . .. . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
Предисловие Топология возникла в результате пересмотра с общей точки зрения ряда фундаментальных фактов геометрии и математического анализа. Но уже вскоре после возникновения топологии стало ясно, что в ее рамках можно не только обсуждать свойства объектов, возникших в других разделах математики, но, идя по пути, подсказанному приложениями, «конструировать» новые топологические объекты. Так вошли в топологию и в математику в целом такие понятия, как произведение топологических пространств, пространство отображений, пространство замкнутых подмножеств. Эта книга написана как учебник общей топологии, в котором изучение подобных конструкций стоит в центре изложения. При этом не ставилось целью поместить в относительно небольшую по объему книгу полное описание всех таких конструкций, их свойств и приложений, подразумевая достаточно конкретный круг читателей — студентов-математиков, которые специализируются как в общей топологии, так и в других областях математики, уже имеют некоторую начальную подготовку по топологии и могут при необходимости продолжить изучение топологии по другим источникам. Книга содержит материал ряда спецкурсов, прочитанных на кафедре общей топологии и геометрии механико-математического факультета МГУ. Ее содержание можно разделить на три части. В первой части излагаются первоначальные понятия и факты общей топологии (глава I, часть главы II и отдельные куски других глав). Изложение материала в ней, хотя формально строгое, все-таки достаточно конспективно. Здесь приводится лишь минимум сведений из этой части топологии, необходимый для дальнейшего изложения. Ядро книги — вторая часть (главы II–VI), в которой указываются способы построения по одним топологическим объектам других, новых объектов — «основные конструкции». К таким конструкциям относятся произведения топологических пространств и отображений, обратные спектры и их пределы, пространства отображений, пространства замкнутых множеств, пространства частичных отображений и т. д. Здесь также излагаются теоремы Э. Майкла о селекциях многозначных отображений, теоремы о зависимости от счетного числа координат функции, определенной на произведении пространств, спектральная теорема о гомеоморфизме.
Предисловие 7 Примеры применения основных конструкций и методов общей топологии к современным исследованиям составляет содержание третьей части книги, где прослеживаются три темы. Первая из них связана с последовательным изучением диадических бикомпактов, пространств Милютина, пространств Дугунджи, нуль-мягких отображений. Дальнейшее движение в этом направлении, выходящее уже за рамки этой книги, приводит к исследованию все более геометрических объектов: n-мягких отображений, абсолютных ретрактов и экстензоров, бесконечномерных многообразий. С исследованиями по этому направлению, проводимыми в нашей стране 1) , можно познакомиться по работам А. Н. Дранишникова, М. М. Заричного, А. В. Иванова, В. В. Федорчука, А. Ч. Чигогидзе, Е. В. Щепина. Из зарубежных авторов в первую очередь следует отметить Х. Торунчика (Польша) и его учеников, Дж. Вэста, Т. Чепмэна, Р. Эдвардса и членов возглавляемой ими большой американской школы геометрической топологии. Вторая тема связана с ковариантными функторами в категории бикомпактов. Эта проблематика в настоящее время интенсивно разрабатывается в направлении исследования геометрических свойств конкретных функторов и в направлении изучения классов абстрактных функторов, выделяемых наложением тех или иных ограничений. Из российских топологов, занимающихся этой тематикой, кроме уже упомянутых выше, следует отметить В. Н. Басманова, а из зарубежных — Д. Кертиса (США). Для более детального ознакомления с этой проблематикой можно рекомендовать обзорные статьи [4, 5, 12–15, 26]. Третья тема развивается в главе IX, написанной по мотивам недавних работ В. В. Филиппова. В ней прежде всего вводится новый топологический объект — пространство частичных отображений, представляющих интерес в связи с тем, что на его основе возникает довольно естественным образом аксиоматический подход к значительной части теории обыкновенных дифференциальных уравнений. Собственно изучению самого пространства частичных отображений посвящены только первые полтора параграфа главы I, а ее основная часть содержит изложение приложения этого понятия к теории обыкновенных дифференциальных уравнений. При этом мы не покидаем пределов топологии: в нашем изложении дифференциальные уравнения упоминаются только для того, чтобы показать, что развиваемая теория имеет вполне конкретную основу, непосредственно связанную с уравнениями (вне пределов книги остается то, что мы тем самым распространяем топологическую часть теории обыкновенных дифференциальных уравнений 1) Следует иметь в виду, что первое издание книги было опубликовано в 1988 г.
Предисловие на многие типы уравнений с особенностями в правой части: возникают новые, но уже не полностью топологические методы проверки аксиом теории для пространств решений уравнений с особенностями.) К настоящему времени этот подход получил дальнейшее развитие, покрывая тематику центральной части теории обыкновенных дифференциальных уравнений и тем самым распространяя общую теорию обыкновенных дифференциальных уравнений на широкие классы уравнений с разрывными и многозначными правыми частями. Глава IX этой книги до сих пор остается лучшим кратким введением в общетопологические основы нового подхода. Без дополнительных пояснений пользуемся общепринятыми обозначениями теории множеств и некоторыми ее теоремами. Все необходимые сведения такого рода можно найти в книге П. С. Александрова «Введение в теорию множеств и общую топологию» [1]. В частности, предполагаем, что читатель знаком с такими понятиями и фактами наивной теории множеств, как частично упорядоченное множество, упорядоченные и вполне упорядоченные множества, порядковые и кардинальные числа, аксиома выбора, теорема Цермело, лемма Цорна, принцип трансфинитной индукции, равенство τ 2 = τ для бесконечного кардинального числа τ. Кардинальные числа отождествляются с соответствующими начальными порядковыми числами и поэтому обозначаются тем же символом ωα. Через |A| обозначается мощность множества A. Как уже было сказано, в некоторых случаях наше обсуждение ряда понятий общей топологии конспективно. При необходимости для более полного знакомства с ними можно воспользоваться книгами [2, 3]. Ссылки внутри книги делаются следующим образом: «см. II.6.26» означает «смотри пункт 26 § 6 главы II», а «см. 1.12» означает «смотри пункт 12 § 1 этой же главы». Некоторые доказательства, как правило сводящиеся к автоматической проверке выполнения соответствующих условий или являющиеся простой комбинацией ранее установленных фактов, оставлены читателю в качестве упражнений. Проведя эти доказательства полностью, читатель может убедиться в хорошем понимании предыдущего материала.
Г л а в а I ТОПОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОСТРАНСТВА § 1. Топологические пространства и непрерывные отображения 1.1. Пусть X — множество и T — система его подмножеств, удовлетворяющая двум условиям: а) пересечение всякой конечной подсистемы элементов T принадлежит T ; б) объединение всякой подсистемы элементов T принадлежит T . Из а) вытекает, что X ∈ T , поскольку X — пересечение пустой подсистемы системы T . Аналогично из б) вытекает, что ∅ ∈ T . Пара (X, T ) называется топологическим пространством, а семейство T — топологией. Для краткости символ топологии часто опускают и обозначают топологическое пространство (X, T ) одной буквой X. Из тех же соображений говорят «пространство» вместо «топологическое пространство». Элементы множества X называются точками топологического пространства X. 1.2. Элементы топологии T называются открытыми множествами пространства X, а дополнения к ним — замкнутыми. Из а) и б) вытекают свойства: а′) объединение конечного числа замкнутых множеств замкнуто; б′) пересечение любого числа замкнутых множеств замкнуто. 1.3. Семейство всех топологий на множестве X упорядочено отношением включения.
Гл. I. Топологические пространства Выше было отмечено, что пустое множество и все пространство X всегда открыты. Поэтому пара {∅, X} содержится в любой топологии T на множестве X и, следовательно, является наименьшей (чаще говорят: слабейшей) на X топологией. Семейство P(X) всех подмножеств множества X — также топология на X, очевидно, наибольшая (или сильнейшая). Эта топология называется дискретной. В дискретном пространстве всякое множество одновременно открыто и замкнуто. Числовая прямая R — также топологическое пространство. Здесь множество открыто тогда и только тогда, когда оно со всякой точкой содержит и некоторую ее ε-окрестность. 1.4. Произвольное открытое множество, содержащее множество A ⊂ X, называется окрестностью множества A в пространстве X. Окрестности множества A обозначим OA (иногда обозначают UA). Из а) следует, что пересечение конечного числа окрестностей множества A является его окрестностью. Из б) следует, что множество A открыто тогда и только тогда, когда для всякой его точки x существует окрестность Ox, лежащая в A. Если точка x ∈ X имеет окрестность, состоящую из одной точки, то эта точка называется изолированной в пространстве X. В дискретном пространстве (см. 1.3) все точки изолированы. 1.5. Пусть (X, T ) — пространство и Y ⊂ X. Семейство T |Y ≡ {U ∩ Y : U ∈ T }, очевидно, удовлетворяет свойствам а) и б) топологии. Поэтому (Y , T |Y ) — топологическое пространство. Оно называется подпространством пространства (X, T ). Если A ⊂ X, OA — окрестность множества A в X, то Y ∩ OA — окрестность множества Y ∩ A в Y . 1.6. Пусть A — подмножество пространства X. Пересечение всех замкнутых множеств, содержащих A, обозначается [A]X или просто [A] и называется замыканием множества A. Объединение всех открытых множеств, содержащихся в A, обозначается ⟨A⟩X или просто ⟨A⟩ и называется внутренностью или открытым ядром множества A. Из определений непосредственно вытекает, что [A] — наименьшее замкнутое множество, содержащее A, а ⟨A⟩ — наибольшее открытое множество, лежащее в A. Поэтому [F] = F для