Топологическое пространство характеризуется последовательностями
В топологии и смежных областях математики последовательное пространство — это топологическое пространство , топология которого может быть полностью охарактеризована его сходящимися/расходящимися последовательностями. Их можно рассматривать как пространства, удовлетворяющие очень слабой аксиоме счетности , и все пространства, поддающиеся первой счетности (особенно метрические пространства ), являются последовательными.
В любом топологическом пространстве, если сходящаяся последовательность содержится в замкнутом множестве , то предел этой последовательности также должен содержаться в . Множества с этим свойством известны как последовательно замкнутые . Последовательные пространства — это именно те топологические пространства, для которых последовательно замкнутые множества фактически замкнуты. (Эти определения также можно перефразировать в терминах последовательно открытых множеств; см. ниже.) Иными словами, любую топологию можно описать в терминах сетей (также известных как последовательности Мура–Смита), но эти последовательности могут быть «слишком длинными» (индексированными слишком большим порядковым числом), чтобы сжать их в последовательность. Последовательные пространства — это те топологические пространства, для которых сетей счетной длины (т. е. последовательностей) достаточно для описания топологии.
Любая топология может быть уточнена (т.е. сделана более тонкой) до последовательной топологии, называемой последовательным корефлектированием
Связанные концепции пространств Фреше–Урысона , T -секвенциальных пространств и -секвенциальных пространств также определяются в терминах того, как топология пространства взаимодействует с последовательностями, но имеют несколько отличающиеся свойства.
Последовательные пространства и -последовательные пространства были введены С. П. Франклином . [1]
История
Хотя пространства, удовлетворяющие таким свойствам, неявно изучались в течение нескольких лет, первое формальное определение принадлежит С. П. Франклину в 1965 году. Франклин хотел определить «классы топологических пространств, которые могут быть полностью определены знанием их сходящихся последовательностей», и начал с исследования пространств с первой счетностью , для которых уже было известно, что последовательностей достаточно. Затем Франклин пришел к современному определению, абстрагируя необходимые свойства пространств с первой счетностью.
Предварительные определения
Пусть будет множеством и пусть будет последовательностью в ; то есть семейством элементов из , индексированных натуральными числами . В этой статье означает, что каждый элемент в последовательности является элементом из и, если является отображением, то Для любого индекса хвост из , начинающийся с , является последовательностью Последовательность в конечном итоге находится в , если некоторый хвост из удовлетворяет
Пусть будет топологией на и последовательность в ней. Последовательность сходится к точке, записанной (когда контекст позволяет, ), если для каждой окрестности в конечном итоге находится в тогда называется предельной точкой
Функция между топологическими пространствами является последовательно непрерывной, если подразумевает
Последовательное закрытие/внутреннее
Пусть будет топологическим пространством и пусть будет подмножеством. Топологическое замыкание (соотв. топологическая внутренность ) в обозначается как (соотв. ).
Последовательное замыкание в — это множество , которое определяет отображение, оператор последовательного замыкания , на множестве мощности При необходимости для ясности это множество также можно записать или Всегда имеет место, но обратное может не сработать.
Последовательная внутренняя часть in представляет собой множество (топологическое пространство, снова обозначенное нижним индексом, если необходимо).
Последовательное замыкание и внутренность удовлетворяют многим замечательным свойствам топологического замыкания и внутренности: для всех подмножеств
- и ;
- и ;
- ;
- ; и
То есть, последовательное замыкание является оператором предзамыкания . В отличие от топологического замыкания, последовательное замыкание не является идемпотентным : последнее включение может быть строгим. Таким образом, последовательное замыкание не является оператором замыкания ( Куратовского ) .
Последовательно закрытые и открытые множества
Множество последовательно замкнуто, если ; эквивалентно, для всех и таких, что мы должны иметь [примечание 1]
Множество определяется как последовательно открытое, если его дополнение последовательно замкнуто. Эквивалентные условия включают:
- или
- Для всех и таких, что в конечном итоге оказывается в (то есть существует некоторое целое число, такое что хвост ).
Множество является последовательной окрестностью точки , если оно содержит в своей последовательной внутренней части; последовательные окрестности не обязательно должны быть последовательно открытыми (см. § T- и N-последовательные пространства ниже).
Подмножество может быть последовательно открытым, но не открытым. Аналогично, возможно существование последовательно замкнутого подмножества, которое не является замкнутым.
Последовательные пространства и корефлексия
Как обсуждалось выше, последовательное замыкание не является в общем случае идемпотентным, и, следовательно, не является оператором замыкания топологии. Можно получить идемпотентное последовательное замыкание с помощью трансфинитной итерации : для последующего ординала определить (как обычно) и для предельного ординала определить Этот процесс дает ординально-индексированную возрастающую последовательность множеств; как оказывается, эта последовательность всегда стабилизируется по индексу ( первый несчетный ординал ). Наоборот, последовательный порядок является минимальным ординалом, при котором для любого выбора из вышеуказанной последовательности будет стабилизироваться. [2]
Трансфинитное последовательное замыкание является конечным множеством в указанной выше последовательности: Оператор идемпотентен и, таким образом, является оператором замыкания . В частности, он определяет топологию, последовательное корефлексионное. В последовательном корефлексионном каждое последовательно-замкнутое множество замкнуто (и каждое последовательно-открытое множество открыто). [3]
Последовательные пробелы
Топологическое пространство является последовательным , если оно удовлетворяет любому из следующих эквивалентных условий:
- является его собственным последовательным корефлексом. [4]
- Каждое последовательно открытое подмножество открыто.
- Каждое последовательно замкнутое подмножество замкнуто.
- Для любого подмножества , которое не замкнуто в , существует некоторое [примечание 2] и последовательность в , которая сходится к [5]
- (Универсальное свойство) Для каждого топологического пространства отображение непрерывно тогда и только тогда , когда оно последовательно непрерывно (если то ). [6]
- является частным пространства с первой аксиомой счетности.
- является частным метрического пространства.
Если взять и в качестве тождественного отображения на в универсальном свойстве, то класс последовательных пространств состоит именно из тех пространств, топологическая структура которых определяется сходящимися последовательностями. Если две топологии согласуются на сходящихся последовательностях, то они обязательно имеют одно и то же последовательное корефлексионное отображение. Более того, функция из является последовательно непрерывной тогда и только тогда, когда она непрерывна на последовательном корефлексионном отображении (то есть, когда предварительно составлена с ).
Т- иН-последовательные пробелы
T - секвенциальное пространство — это топологическое пространство с последовательным порядком 1, что эквивалентно любому из следующих условий: [1]
- Последовательное замыкание (или внутренность) каждого подмножества последовательно замкнуто (соответственно, открыто).
- или идемпотентны.
- или
- Любую последовательную окрестность можно сжать до последовательно-открытого множества, содержащего ; формально последовательно-открытые окрестности являются базисом для последовательных окрестностей.
- Для любого и любой последовательной окрестности существует последовательная окрестность такая , что для каждого множество является последовательной окрестностью
Быть T -секвенциальным пространством несравнимо с быть последовательным пространством; существуют последовательные пространства, которые не являются T -секвенциальными и наоборот. Однако топологическое пространство называется -секвенциальным (или соседне-секвенциальным ), если оно является как последовательным, так и T -секвенциальным. Эквивалентным условием является то, что каждая последовательная окрестность содержит открытую (классическую) окрестность. [1]
Каждое пространство с первой счетностью (и, таким образом, каждое метризуемое пространство ) является -секвенциальным. Существуют топологические векторные пространства , которые являются секвенциальными, но не -секвенциальными (и, таким образом, не T -секвенциальными). [1]
Пространства Фреше–Урысона
Топологическое пространство называется пространством Фреше–Урысона, если оно удовлетворяет любому из следующих эквивалентных условий:
- наследственно последовательно; то есть каждое топологическое подпространство последовательно.
- Для каждого подмножества
- Для любого подмножества , которое не замкнуто в , и для каждого существует последовательность в , которая сходится к
Пространства Фреше–Урысона иногда также называют «пространствами Фреше», но их не следует путать ни с пространствами Фреше в функциональном анализе , ни с условием T 1 .
Примеры и достаточные условия
Каждый CW-комплекс является последовательным, поскольку его можно рассматривать как фактор метрического пространства.
Простой спектр коммутативного нётерова кольца с топологией Зарисского является секвенциальным. [7]
Возьмите действительную прямую и определите множество целых чисел в точке. Как частное метрического пространства, результат является последовательным, но он не является первым счетным.
Каждое пространство со счетом первой степени является пространством Фреше–Урысона, а каждое пространство Фреше–Урысона является секвенциальным. Таким образом, каждое метризуемое или псевдометризуемое пространство — в частности, каждое пространство со счетом второй степени , метрическое пространство или дискретное пространство — является секвенциальным.
Пусть — набор отображений из пространств Фреше–Урысона в Тогда конечная топология , индуцирующая на , является последовательной.
Хаусдорфово топологическое векторное пространство является последовательным тогда и только тогда, когда не существует строго более тонкой топологии с теми же сходящимися последовательностями. [9]
Пространства, которые являются последовательными, но не являются пространствами Фреше-Урысона
Пространство Шварца и пространство гладких функций , как обсуждалось в статье о распределениях , являются широко используемыми последовательными пространствами. [10] [11]
В более общем случае каждое бесконечномерное пространство Монтеля DF является последовательным, но не является пространством Фреше–Урысона .
Пространство Аренса является последовательным, а не Фреше-Урысона. [12] [13]
Непримеры (пробелы, которые не являются последовательными)
Простейшее пространство, которое не является последовательным, — это косчетная топология на несчетном множестве. Каждая сходящаяся последовательность в таком пространстве в конечном счете постоянна; следовательно, каждое множество является последовательно открытым. Но косчетная топология не является дискретной . (Можно было бы назвать топологию «последовательно дискретной».) [14]
Пусть обозначает пространство -гладких тестовых функций с его канонической топологией, а обозначим пространство распределений, сильное сопряженное пространство к ; ни одно из них не является секвенциальным (и даже не является пространством Асколи). [10] [11] С другой стороны, и являются пространствами Монтеля [15] и в сопряженном пространстве любого пространства Монтеля последовательность непрерывных линейных функционалов сходится в сильно сопряженной топологии тогда и только тогда, когда она сходится в слабой* топологии (то есть сходится поточечно). [10]
Последствия
Каждое последовательное пространство имеет счетную тесноту и компактно порождено .
Если — непрерывная открытая сюръекция между двумя последовательными хаусдорфовыми пространствами, то множество точек с единственным прообразом замкнуто. (В силу непрерывности замкнут и его прообраз в множестве всех точек, на которых инъективно.)
Если — сюръективное отображение (не обязательно непрерывное) на хаусдорфово последовательное пространство и базисы для топологии на , то является открытым отображением тогда и только тогда, когда для каждой базовой окрестности и последовательности в существует подпоследовательность из , которая в конечном итоге находится в
Категориальные свойства
Полная подкатегория Seq всех последовательных пространств замкнута относительно следующих операций в категории Top топологических пространств:
Категория Seq не закрывается при следующих операциях в Top :
- Непрерывные изображения
- Подпространства
- Конечные продукты
Поскольку они замкнуты относительно топологических сумм и частных, последовательные пространства образуют корефлективную подкатегорию категории топологических пространств . Фактически, они являются корефлективной оболочкой метризуемых пространств (то есть наименьшим классом топологических пространств, замкнутых относительно сумм и частных и содержащих метризуемые пространства).
Подкатегория Seq является декартовой замкнутой категорией относительно собственного произведения (не Top ) . Экспоненциальные объекты снабжены топологией (сходящейся последовательности)-открытой.
PI Booth и A. Tillotson показали, что Seq является наименьшей декартовой замкнутой подкатегорией Top, содержащей базовые топологические пространства всех метрических пространств , CW-комплексов и дифференцируемых многообразий , и которая замкнута относительно копределов, частных и других «определенных разумных тождеств», которые Норман Стинрод описал как «удобные». [17]
Каждое последовательное пространство компактно порождено , и конечные произведения в Seq совпадают с таковыми для компактно порожденных пространств, поскольку произведения в категории компактно порожденных пространств сохраняют факторы метрических пространств.
Смотрите также
Примечания
- ^ Вы не можете одновременно применять этот «тест» к бесконечно большому числу подмножеств (например, вы не можете использовать что-то похожее на аксиому выбора ). Не все последовательные пространства являются пространствами Фреше-Урысона , но только в этих пространствах можно определить замыкание множества без необходимости рассматривать любое множество, отличное от
- ^ Пространство Фреше –Урысона определяется аналогичным условием для всех таких :
Для любого подмножества , которое не замкнуто в для любого, существует последовательность в , которая сходится к
Цитаты
- ^ abcd Снайпс, Рэй (1972). «Т-секвенциальные топологические пространства» (PDF) . Фундамента Математика . 77 (2): 95–98. дои : 10.4064/fm-77-2-95-98. ISSN 0016-2736.
- ^ * Архангельский, А. В.; Франклин, С. П. (1968). «Порядковые инварианты для топологических пространств». Michigan Math. J . 15 (3): 313–320. doi : 10.1307/mmj/1029000034 .
- ^ Барон, С. (октябрь 1968 г.). «Корефлективная подкатегория последовательных пространств». Канадский математический бюллетень . 11 (4): 603–604. doi : 10.4153/CMB-1968-074-4 . ISSN 0008-4395. S2CID 124685527.
- ^ "Топология последовательно открытых множеств является последовательной?". Mathematics Stack Exchange .
- ^ Архангельский, А.В. и Понтрягин Л.С., Общая топология I, определение 9 стр.12
- ^ Барон, С.; Лидер, Соломон (1966). «Решение задачи № 5299». The American Mathematical Monthly . 73 (6): 677–678. doi :10.2307/2314834. ISSN 0002-9890. JSTOR 2314834.
- ^ "О секвенциальных свойствах нётеровых топологических пространств" (PDF) . 2004 . Получено 30 июля 2023 .
- ^ Дадли, Р. М., О последовательной сходимости - Труды Американского математического общества, том 112, 1964, стр. 483-507
- ^ abc Gabrielyan, Saak (2019). «Топологические свойства строгих -пространств и сильных дуалов строгих -пространств Монтеля ». Monatshefte für Mathematik . 189 (1): 91–99. arXiv : 1702.07867 . doi :10.1007/s00605-018-1223-6.
- ^ аб Т. Шираи, Sur les Topologies des Espaces de L. Schwartz, Proc. Япония Акад. 35 (1959), 31–36.
- ^ Энгелькинг 1989, Пример 1.6.19
- ↑ Ma, Dan (19 августа 2010 г.). «Заметка о пространстве Аренса» . Получено 1 августа 2013 г.
- ^ математика; Sleziak, Martin (6 декабря 2016 г.). "Пример различных топологий с одинаковыми сходящимися последовательностями". Mathematics Stack Exchange . StackOverflow . Получено 2022-06-27 .
- ^ "Топологическое векторное пространство". Энциклопедия математики . Получено 6 сентября 2020 г. Это
пространство Монтеля, следовательно, паракомпактное, и поэтому нормальное.
- ^ Стинрод 1967
Ссылки
- Архангельский А.В. и Понтрягин Л.С., Общая топология I , Springer-Verlag, Нью-Йорк (1990) ISBN 3-540-18178-4 .
- Архангельский, А. В. (1966). "Отображения и пространства" (PDF) . Математические обзоры . 21 (4): 115–162. Bibcode :1966RuMaS..21..115A. doi :10.1070/RM1966v021n04ABEH004169. ISSN 0036-0279. S2CID 250900871 . Получено 10 февраля 2021 г. .
- Akiz, Hürmet Fulya; Koçak, Lokman (2019). "Sequentially Hausdorff and full sequencely Hausdorff spaces". Факультет коммуникаций, Университет Анкары, Серия A1, Математика и статистика . 68 (2): 1724–1732. doi : 10.31801/cfsuasmas.424418 . ISSN 1303-5991 . Получено 10 февраля 2021 г.
- Бун, Джеймс (1973). «Заметка о мезокомпактных и последовательно мезокомпактных пространствах». Pacific Journal of Mathematics . 44 (1): 69–74. doi : 10.2140/pjm.1973.44.69 . ISSN 0030-8730.
- Бут, Питер; Тиллотсон, Дж. (1980). «Моноидальные замкнутые, декартовы замкнутые и удобные категории топологических пространств». Pacific Journal of Mathematics . 88 (1): 35–53. doi : 10.2140/pjm.1980.88.35 . ISSN 0030-8730 . Получено 10 февраля 2021 г. .
- Энгелькинг, Р., Общая топология , Heldermann, Берлин (1989). Переработанное и дополненное издание.
- Foged, L. (1985). «Характеристика замкнутых образов метрических пространств». Труды Американского математического общества . 95 (3): 487–490. doi : 10.1090/S0002-9939-1985-0806093-3 . ISSN 0002-9939.
- Франклин, С. (1965). «Пространства, в которых достаточно последовательностей» (PDF) . Фундамента Математика . 57 (1): 107–115. дои : 10.4064/fm-57-1-107-115 . ISSN 0016-2736.
- Франклин, С. (1967). «Пространства, в которых достаточно последовательностей II» (PDF) . Фундамента Математика . 61 (1): 51–56. дои : 10.4064/fm-61-1-51-56 . ISSN 0016-2736 . Проверено 10 февраля 2021 г.
- Горхэм, Энтони, «Последовательная сходимость в топологических пространствах», (2016)
- Грюнхаге, Гэри; Майкл, Эрнест; Танака, Йошио (1984). «Пространства, определяемые точечно-счетными покрытиями». Pacific Journal of Mathematics . 113 (2): 303–332. doi : 10.2140/pjm.1984.113.303 . ISSN 0030-8730.
- Майкл, EA (1972). «Пятикратный частный квест». Общая топология и ее приложения . 2 (2): 91–138. doi :10.1016/0016-660X(72)90040-2. ISSN 0016-660X.
- Шоу, Лин; Чуан, Лю; Мумин, Дай (1997). «Образы на локально сепарабельных метрических пространствах». Акта Математика Синика . 13 (1): 1–8. дои : 10.1007/BF02560519. ISSN 1439-8516. S2CID 122383748.
- Стинрод, NE (1967). «Удобная категория топологических пространств». The Michigan Mathematical Journal . 14 (2): 133–152. doi : 10.1307/mmj/1028999711 . Получено 10 февраля 2021 г.
- Тревес, Франсуа (2006) [1967]. Топологические векторные пространства, распределения и ядра . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications. ISBN 978-0-486-45352-1. OCLC 853623322.
- Wilansky, Albert (2013). Современные методы в топологических векторных пространствах . Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, Inc. ISBN 978-0-486-49353-4. OCLC 849801114.