Определение и примеры топологических пространств

Многие понятия теории метрических пространств (предел, предельная точка, точка прикосновения, замыкание множества, граница множества, непрерывность и т.д.) вводятся, опираясь на понятие окрестности или, что тоже самое, на понятие открытого множества. Понятие окрестность и открытое множество определяются с помощью метрики.

Свойства открытых множеств метрического пространства принимаются в качестве аксиом. Этот путь приводит нас к топологическим пространствам, по отношению к которым метрические пространства представляют собой частный случай.

Определение 1. Пусть Х – непустое множество элементов произвольной природы, Ф = { } – семейство подмножеств множества Х, удовлетворяющее следующим аксиомам:

1. Само множество Х и пустое множество Æ принадлежат семейству Ф.

2. Объединение любого семейства множеств из Ф также принадлежит Ф.

3. Пересечение любых двух множеств из Ф также принадлежит Ф.

Тогда семейство Ф называется топологией или топологической структурой.

Пара (Х, Ф) или, другим словами, множество Х, в котором задана некоторая топология, называется топологическим пространством.

Элементы множества Х называются точками топологического пространства, элементы семейства Ф называются открытыми множествами в (Х, Ф).

Когда не может возникнуть недоразумений, разрешается просто писать: Х – топологическое пространство, G  – открытое множество, то есть не указывать постоянно связь с топологией Ф.

Примеры топологических пространств.

Пример 1. Х – произвольное множество. Из аксиомы 1 топологического пространства вытекает, что среди открытых множеств любой топологической структуры в Х обязательно должны быть пустое множество Æ и само множество Х. Очевидно, что для семейства

Ф_т = {Æ, X},

которое состоит лишь из этих двух множеств, выполняются также и аксиомы 2 и 3.

Поэтому Ф_т = {Æ, X} является простейшей топологической структурой в Х. Эта топология называется тривиальной, а пара (Х, Ф) тривиальным топологическим пространством. Иногда эту пару называют антидискретным топологическим пространством.

Пример 2. Другой крайностью является так называемое дискретное топологическое пространство (Х, Ф_d), где Ф_d представляет собой семейство всех подмножеств множества Х. Очевидно, что и в этом случае все аксиомы 1 – 3 выполняются.

Пример 3. Пусть Х = R³. Открытыми в Х множествами назовем только открытые шары U(r) с общим центром О и радиусом r, а также всё множество Х и пустое множество.

Очевидно, аксиома 1 выполняется.

Пусть {U(r_a)} – любая система открытых множеств. Тогда их объединением будет шар с центром О и радиусом r = .

Если  = ¥, то U(r) = X.

Следовательно, аксиома 2 выполняется.

Пересечением двух множеств U(r₁) и U(r₂) будет множество U(r), где r = , то есть аксиома 3 также выполняется.

Выделенное нами семейство открытых множеств является топологией в R³, которую иногда называют концентрической.

Определение 2. Пусть в множестве Х введены две топологии Ф₁ и Ф₂. Говорят, что Ф₁ сильнее Ф₂ (или Ф₂ слабее Ф₁₎, если Ф₂ Ì Ф₁, то есть любое множество из Ф₂ принадлежит Ф₁.

Очевидно, самой сильной топологией является дискретная топология, а самой слабой – тривиальная.

А вообще – две топологии на одном и том же множестве могут быть несравнимыми.

Пример.

Х = ,

Ф₁ = {Æ, Х, },

Ф₂ = {Æ, Х, }.

Топологии Ф₁ и Ф₂ несравнимы.

Теорема 1. Пересечение произвольного множества топологий, заданных на Х, является топологией в Х. Эта топология Ф слабее любой из данных топологий Ф .

Доказательство. Пусть .

Так как для любого a

{Х, Æ} Ì Ф ,

то

{X, Æ} Ì Ф.

Далее, из того, что каждое Ф  замкнуто относительно взятия любых объединений и конечных пересечений, следует, что этим свойством обладает и множество .

Теорема 2. Пусть А – произвольная система подмножеств множества Х. Тогда существует минимальная топология в Х, содержащая А.

Действительно, всегда существуют топологии, содержащие А, например, дискретная. Пересечение всех топологий, содержащих А и есть искомая топология. Эта минимальная топология называется топологией, порождённой системой А.