4. Tích của các không gian tôpô
1. Các không gian tích
Định nghĩa 1
Cho một họ các không gian tôpô, không gian tích của họ này là tập hợp tích được trang bị tôpô là tích của các tôpô của các (§ 2, no. 3, Ví dụ 3). Các không gian được gọi là các nhân tử của X.
Theo § 2, no. 3, Mệnh đề 4, tôpô tích trên có một cơ sở là tập hợp gồm các giao hữu hạn của các tập hợp có dạng , trong đó là mở trong ; các tập hợp này là các tích , trong đó là mở trong với mỗi và trừ ra đối với một số hữu hạn chỉ số. Các tập hợp này sẽ được gọi là các tập hợp sơ cấp.
Nếu là một cơ sở của tôpô của (với mỗi ), thì hiển nhiên là các tập hợp sơ cấp sao cho với mỗi chỉ số mà tạo thành một cơ sở khác của tôpô tích. Do đó, các tập hợp sơ cấp thuộc kiểu này chứa một điểm đã cho tạo thành một hệ cơ bản các lân cận của (, no. 3, Mệnh đề 3).
Nếu là một tập hợp hữu hạn, phép dựng tôpô tích từ các tôpô của các thừa số là đơn giản hơn: các tập hợp sơ cấp chỉ đơn giản là các tích , trong đó là một tập con mở bất kỳ của , với mỗi (x. Bài tập 9).
Ví dụ
\* Tích của không gian đồng nhất với đường thẳng thực được gọi là không gian số thực chiều; cũng được gọi là mặt phẳng thực (x. Chương VI, § 1). Tương tự, xuất phát từ đường thẳng hữu tỉ , ta định nghĩa không gian số hữu tỉ chiều (mặt phẳng hữu tỉ khi ).
Tôpô của không gian có một cơ sở là tập hợp mọi tích của khoảng mở trong , được gọi là các hộp mở chiều. Các hộp mở chứa một điểm lập thành một hệ cơ bản các lân cận của điểm này. Tương tự, các tích của khoảng đóng trong được gọi là các hộp đóng chiều. Các hộp đóng mà là điểm trong của chúng cũng lập thành một hệ cơ bản các lân cận của . Có các kết quả tương tự đối với . \
Mệnh đề 1
Cho là một ánh xạ từ một không gian tôpô vào một không gian tích . Khi đó liên tục tại một điểm nếu và chỉ nếu liên tục tại với mọi .
Vì , đây chỉ là một trường hợp riêng của Mệnh đề 4 của § 2, no. 3.
Hệ quả 1
Cho là hai họ không gian tôpô có cùng tập chỉ số. Với mỗi , cho là một ánh xạ từ vào . Để ánh xạ tích từ
f có thể được viết thành , nên theo Mệnh đề 1 điều kiện là đủ. Ngược lại, với mỗi đặt là ánh xạ từ vào sao cho và mỗi khi ; khi đó liên tục tại điểm , theo Mệnh đề 1. Vì nên suy ra rằng nếu liên tục tại , thì liên tục tại .
Hệ quả 2
Cho là hai không gian tôpô. Để một ánh xạ là liên tục, điều kiện cần và đủ là ánh xạ là một đồng phôi của lên đồ thị của (được xét như một không gian con của không gian tích ).
Vì , điều kiện là đủ. Nó cũng là cần, vì nếu liên tục, thì là song ánh và liên tục (Mệnh đề 1) và nghịch đảo của là hạn chế của lên , ánh xạ này là liên tục (xem Lý thuyết tập hợp, Chương IV, § 2, no. 4, tiêu chuẩn CST 17).
Mệnh đề 2 (Tính kết hợp của các tích tôpô)
Cho là một họ các không gian tôpô, là một phân hoạch của tập hợp , và với mỗi đặt là tích của các không gian với . Khi đó ánh xạ chính tắc của không gian tích*
Đây là một trường hợp riêng của tính bắc cầu của các tôpô ban đầu ( 2, no. 3, Mệnh đề 5; xem Lý thuyết tập hợp, Chương IV, § 2, no. 4, tiêu chuẩn CST 13).
Nói chung ta đồng nhất các không gian tích và bằng ánh xạ chính tắc.
Hệ quả
Cho là một phép hoán vị của tập hợp . Khi đó ánh xạ là một đồng phôi của*
Lấy và với mỗi trong Mệnh đề 2.
Mệnh đề 3
Cho là một tập hợp, là một họ các không gian tôpô, và với mỗi cho là một ánh xạ từ vào . Gọi là ánh xạ từ vào , và gọi là tôpô thô nhất trên sao cho các ánh xạ là liên tục. Khi đó là ảnh ngược theo của tôpô cảm sinh trên bởi tôpô tích trên .
Đây là một trường hợp riêng khác của tính bắc cầu của các tôpô ban đầu (\S\ 2, no. 3, Mệnh đề 5; xem thêm Lý thuyết tập hợp, Chương IV, \S\ 2, no. 4, tiêu chuẩn CST 15).
Hệ quả
Với mỗi gọi là một không gian con của . Khi đó tôpô cảm sinh trên bởi tôpô tích trên là tích của các tôpô của các không gian con .
Gọi là đơn ánh chính tắc , và áp dụng Mệnh đề 3 cho các ánh xạ (xem thêm Lý thuyết tập hợp, Chương IV, \S\ 2, no. 4, tiêu chuẩn CST 14).
2. Tiết diện của một tập hợp mở; tiết diện của một tập hợp đóng; phép chiếu của một tập hợp mở. Tính liên tục bộ phận
Mệnh đề 4
Cho là hai không gian tôpô; khi đó với mỗi , ánh xạ là một đồng phôi của lên không gian con của .
Đây là một trường hợp riêng của Hệ quả 1 của Mệnh đề 1 của no. 1 áp dụng cho hàm hằng .
Ánh xạ là một tiết diện liên tục (\S\ 3, no. 5) đối với quan hệ tương đương trên ; do đó không gian thương của theo quan hệ tương đương này đồng phôi với .
Hệ quả
Tiết diện của một tập hợp mở (tương ứng, đóng) của tích tại một điểm tùy ý là mở (tương ứng, đóng) trong .
Mệnh đề 5
Phép chiếu của một tập hợp mở của tích lên một trong hai nhân tử là một tập hợp mở.
Chẳng hạn, ta có , và mệnh đề suy ra từ Hệ quả của Mệnh đề 4 và tiên đề (O_1).
Nhận xét 1
Phép chiếu của một tập con đóng của lên một nhân tử không nhất thiết là đóng. Chẳng hạn, trong mặt phẳng hữu tỉ , hyperbol có phương trình là là một tập hợp đóng, nhưng cả hai phép chiếu của nó đều bằng phần bù của điểm 0 trong , và đây không phải là một tập hợp đóng.
(*) Tiết diện của tại được hiểu là tập hợp tất cả các sao cho (xem Lý thuyết tập hợp R, \S\ 3, no. 7).
Mệnh đề 6
Cho là ba không gian tôpô, là một ánh xạ từ không gian tích vào . Nếu liên tục tại điểm thì ánh xạ bộ phận từ vào liên tục tại điểm .
Thật vậy, ánh xạ này là hợp thành của và ánh xạ ; do đó kết quả suy ra từ Mệnh đề 4.
Mệnh đề 6 thường được phát biểu bằng cách nói rằng một hàm liên tục của hai biến là liên tục đối với từng biến một.
Nhận xét 2
Có thể xảy ra trường hợp mọi ánh xạ riêng phần được xác định bởi một ánh xạ đều liên tục mà không liên tục trên (xem Chương IX, § 5, Bài tập 23). \* Ví dụ nếu là ánh xạ từ mặt phẳng thực vào được xác định bởi
Nếu là một ánh xạ từ vào , liên tục tại một điểm , thì ánh xạ từ là liên tục tại mọi điểm , vì nó là hợp thành của và phép chiếu lên .
Các kết quả của tiểu mục này dễ dàng được mở rộng cho một tích tùy ý của các không gian tôpô bằng cách nhận thấy rằng tích này đồng phôi với tích đối với mọi phân hoạch của (no. 1, Mệnh đề 2).
3. Bao đóng trong một tích
Mệnh đề 7
Trong một không gian tích , bao đóng của một tích các tập hợp cũng chính là tích của các bao đóng của chúng.
Giả sử rằng thuộc bao đóng của ; khi đó với mỗi , thuộc bao đóng của do tính liên tục của (§ 2, no. 1, Định lý 1) và vì thế . Ngược lại, cho , và cho là một tập hợp sơ cấp bất kỳ chứa ; với mỗi , chứa một điểm ; do đó chứa điểm và vì thế thuộc bao đóng của .
Hệ quả
Một tích* của các tập hợp không rỗng là đóng trong không gian tích khi và chỉ khi là đóng trong với mỗi .
Nếu là hữu hạn, thì một tích là mở với điều kiện là mở trong với mỗi ; nhưng điều này không còn đúng nữa nếu là vô hạn.
Mệnh đề 8
Cho* là một điểm bất kỳ của một không gian tích ; khi đó tập hợp các điểm sao cho trừ ra với một số hữu hạn chỉ số là trù mật trong .
Với mỗi và mỗi tập sơ cấp chứa , ta có trừ ra đối với các chỉ số thuộc một tập con hữu hạn của ; nếu ta lấy với và với , thì hiển nhiên là
4. Giới hạn nghịch đảo của các không gian tôpô
Cho là một tập hợp được sắp thứ tự bộ phận (nhưng không nhất thiết có hướng) (*), trong đó quan hệ thứ tự được viết là . Với mỗi , cho là một không gian tôpô, và với mỗi cặp sao cho cho là một ánh xạ từ vào . Ta nói rằng là một hệ ngược các không gian tôpô nếu: 1) là một hệ ngược các tập hợp; 2) là một ánh xạ liên tục mỗi khi . Ký hiệu là tập hợp , và với mỗi cho là ánh xạ chính tắc ; khi đó tôpô thô nhất trên mà đối với nó các đều liên tục được gọi là giới hạn ngược (đối với các ) của các tôpô của , và tập hợp với tôpô này được gọi là giới hạn ngược của hệ ngược các không gian tôpô . Mỗi khi ta nói đến như một không gian tôpô, luôn luôn phải hiểu rằng tôpô của không gian này là giới hạn ngược của các tôpô của , trừ khi điều ngược lại được nói rõ ràng.
Tập hợp là tập con của tích gồm những điểm sao cho
() Nghĩa là, một tập hợp được trang bị một quan hệ phản xạ và bắc cầu (Lý thuyết tập hợp* R, § 6, no. 1).
Cho là một hệ ngược khác của các không gian tôpô được đánh chỉ số bởi cùng tập hợp , và với mỗi cho là một ánh xạ liên tục sao cho là một hệ ngược các ánh xạ; khi đó là một ánh xạ liên tục từ vào . Thật vậy, nếu là ánh xạ chính tắc , ta có , do đó là liên tục với mọi , và mệnh đề suy ra từ Mệnh đề 4 của § 2, no. 3.
Cuối cùng, giả sử là một tập hợp có hướng, và cho là một tập con đồng tận của ; gọi là giới hạn ngược của hệ ngược các không gian tôpô . Khi đó song ánh chính tắc (Lý thuyết tập hợp, Chương III, § 7, no. 2, mệnh đề 3) là một đồng phôi. Thật vậy, ta có với mọi ; do đó liên tục (no. 1, Mệnh đề 1); và nếu là ánh xạ nghịch đảo của , thì với mọi tồn tại sao cho , và vì thế , điều này cho thấy liên tục (no. 1, Mệnh đề 1), vì các là liên tục.
Mệnh đề 9
Cho là một tập có hướng và là một tập con đồng cuối của . Cho là một hệ ngược các không gian tôpô được đánh chỉ số bởi ; đặt và gọi là ánh xạ chính tắc. Khi đó họ các tập hợp , trong đó chạy qua và chạy qua một cơ sở của tôpô của với mỗi , là một cơ sở của tôpô của .
Từ § 2, no. 3 ta biết rằng các giao hữu hạn của các tập hợp dạng ( mở trong ) tạo thành một cơ sở của tôpô của . Nếu là một họ hữu hạn các chỉ số của , thì tồn tại sao cho với ; do đó ; nếu đặt
thì ta có
nhưng là mở và vì vậy là một hợp của các tập hợp thuộc . Suy ra kết quả.
Hệ quả
Cho là một tập con của và gọi là với mỗi . Khi đó:
(i) Các (tương ứng, các ) tạo thành một hệ ngược các tập con của các , và
(ii) Nếu đóng trong , thì .
Mệnh đề thứ nhất của (i) suy ra từ các hệ thức với và từ tính liên tục của các (§ 2, no. 1, Định lý 1). Ký hiệu là
Để thiết lập (ii), chỉ cần nhận xét rằng, không có bất kỳ hạn chế nào trên , ta có ; bây giờ nếu là đóng, thì theo (i)
Ví dụ
Cho là một tập có hướng và là một họ các tập con của một tập hợp , sao cho mỗi khi . Với mỗi cho là một tôpô trên sao cho mịn hơn tôpô cảm sinh trên bởi mỗi khi . Nếu lấy là đơn ánh chính tắc đối với , thì có thể được đồng nhất một cách chính tắc với giao của các , được trang bị tôpô là cận trên bé nhất (§ 2, no. 3, Ví dụ 2) của các tôpô cảm sinh trên bởi các .
Bài tập
Xem các bài tập của § 4.