Yhtenäisyys
Yhtenäisyys on yksi topologisen avaruuden ominaisuuksista. Avaruuden sanotaan olevan yhtenäinen, jos siinä ei ole kahta sellaista erillistä ei-tyhjää avointa joukkoa, joiden yhdiste on koko avaruus.[1] Jos avaruus ei ole yhtenäinen, se on epäyhtenäinen.
Toisin sanoen avaruus M on epäyhtenäinen, jos se koostuu mielivaltaisten, ei-tyhjien avointen joukkojen pistevieraista unioneista eli on olemassa sellaiset M:n avoimet osajoukot A ja B, että
Yhtenäisyyttä vahvempi ominaisuus on polkuyhtenäisyys.
Topologisen avaruuden X' osajoukko on yhtenäinen joukko, jos se X:n aliavaruutena on yhtenäinen avaruus.[1]
Esimerkiksi taso on yhtenäinen avaruus, mutta jos siitä poistetaan yksi molemmissa päissä äärettömiin ulottuva suora, jäljelle jäävä tason osa on epäyhtenäinen. Myös jos tasosta poistetaan kahden samankeskisen ympyrän väliin jäävä rengasmainen alue, jäljelle jäävä tason osa on epäyhtenäinen, samoin kahden erillisen suljetun kiekon yhdiste.
Muodollinen määritelmä
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Topologisen avaruuden X sanotaan olevan epäyhtenäinen, jos se on kahden erillisen ei-tyhjän avoimen joukon yhdiste. Muussa tapauksessa X:n sanotaan olevan yhtenäinen. Topologisen avaruuden osajoukkoa sanotaan yhdisteeksi, jos se on yhtenäinen alkuperäisen avaruuden aliavaruutena. Joskus määritellään lisäksi, että tyhjä joukko ainutlaatuisine topologioineen ei ole yhtenäinen, mutta tässä artikkelissa ei noudateta tätä käytäntöä.
Topologiselle avaruudelle X seuraavat ehdot ovat yhtäpitävät:
- X on yhtenäinen, eli sitä ei voida jakaa kahdeksi erilliseksi ei-tyhjäksi avoimeksi joukoksi.
- X:ää ei voida jakaa kahdeksi erilliseksi ei-tyhjäksi suljetuksi joukoksi.
- Ainoat X:n osajoukot, jotka ovat sekä avoimia että suljettuja, ovat X ja tyhjä joukko.
- Ainoat X:n osajoukot, joiden reuna on tyhjä, ovat X ja tyhjä joukko.
- X:ää ei voi muodostaa kahden erillisen ei-tyhjän erillisen joukon yhdisteenä, toisin sanoen joukkoja, joista kummallakaan ei ole yhteisiä pisteitä toisen joukon sulkeumankaan kanssa.
- Kaikki jatkuvat kuvaukset X:stä joukkoon {0,1} ovat vakioita, kun {0,1} on kahden pisteen avaruus varustettuna diskreetillä topologialla.[1]
Myös seuraavat ehdot ovat yhtäpitävät:
- on epäyhtenäinen.
- On olemassa :n separaatio .
Yhtenäiset komponentit
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Seuraavassa järjestysrelaationa käytetään joukkojen inkluusiota, toisin sanoen joukon A sanotaan olevan "suurempi" kuin B, jos B on A:n osajoukko. Ei-tyhjän joukon edellä sanotussa mielessä suurimpia yhtenäisiä osajoukkoja (jotka siis eivät ole minkään yhtenäisen joukon aitoja osajoukkoja) sanotaan avaruuden yhtenäisiksi komponenteiksi tai lyhemmin komponenteiksi.[1]
Jokaisen topologisen avaruuden X komponentit muodostavat X:n osituksen: ne ovat erillisiä ja ei-tyhjiä, ja niiden unioni on koko avaruus.
Jokainen komponentti on alkuperäisen avaruuden suljettu osajoukko. Tästä seuraa, että jos niiden lukumäärä on äärellinen, ne kaikki ovat myös avoimia joukkoja. Jos komponentteja on äärettömän monta, asia ei kuitenkaan välttämättä ole näin; esimerkiksi rationaalilukujen joukon komponentit käsittävät kukin vain yhden pisteen (yhden luvun) eivätkä ole avoimia.
Olkoon se topologisen avaruuden X komponentti, johon piste x kuuluu, ja kaikkien sellaisten joukkojen leikkaus, joihin x kuuluu ja jotka ovat sekä avoimia että suljettuja. Sitä sanotaan x:n kvasikomponentiksi. Silloin .[1] Pisteen x kvasikomponentti sisältyy siis kokonaisuudessaan samaan avaruuden komponenttiin. Jos avaruus on kompakti Hausdorff-avaruus tai lokaalisti yhtenäinen, kaikkien pisteiden kvasikomponentit ovat samalla myös avaruuden komponentteja.[1]
Epäyhtenäiset avaruudet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Jos avaruuden kaikki komponentit käsittävät kukin vain yhden pisteen, sitä sanotaan täysin epäyhtenäiseksi.[1]
Tälle sukua on käsite täydellinen separaatio. Avaruudella X sanotaan olevan täydellinen separaatio, jos sen mille tahansa kahdelle pisteelle x ja y voidaan valita erilliset avoimet ympäristöt U ja V, niin että , ja . Jos avaruudella on täydellinen separaatio, se on selvästikin täysin epäyhtenäinen, mutta ei välttämättä päin vastoin. Esimerkkinä voidaan käsitellä avaruutta, joka saadaan muodostamalla rationaalilukujen joukosta kaksi kopiota ja yhdistämällä ne samastamalla kummankin muun joukon kaikki toisiaan vastaavat pisteet nollaa lukuun ottamatta. Tuloksena saatu avaruus varustettuna tekijätopologialla on täysin epäyhtenäinen. Tarkastelemalla kahta nollapisteen kopiota voidaan kuitenkin todeta, että kyseessä ei ole täydellinen separaatio. Itse asiassa tämä avaruus ei ole edes Hausdorff-avaruus, ja avaruudella voi olla täydellinen separaatio vain, jos se on Hausdorff-avaruus.[2]
Esimerkkejä
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Reaalilukujen joukko on yhtenäinen, samoin kaikki euklidiset avaruudet , missä n on positiivinen kokonaisluku.
- Reaaliakselin avoimet ja suljetut välit ovat yhtenäisiä. Tosin se voidaan muodostaa esimerkiksi välien [0, 1] ja [1, 2] yhdisteenä, mutta näistä jälkimmäinen ei ole avoin joukko avaruudessa [0, 2].
- Kahden avoimen välin yhdiste S = (0, 1) ∪ (1, 2) on epäyhtenäinen reaalilukujen osajoukko, koska piste 1 ei kuulu joukkoon
- T = (0, 1] ∪ (1, 2) on yhtenäinen reaalilukujen joukossa
- Jos tasosta poistetaan yksi molemmissa suunnissa äärettömiin jatkuva suora, jäljelle jäävä tason osa ei ole yhtenäinen.
- Taso, josta on poistettu kahden samankeskisen ympyrän välinen alue, ei ole yhtenäinen.
- Kahden erillisen suljetun kiekon yhdiste ei ole yhtenäinen.
- Rationaalilukujen joukko ei ole yhtenäinen. Esimerkiksi joukot ja ovat molemmat avoimia, ja yhdessä ne käsittävät koko :n (koska ei ole rationaaliluku).
- Jokainen kupera joukko on yhtenäinen ja samalla yhdesti yhtenäinen.
- Jos euklidisesta tasosta poistetaan origo eli piste (0, 0), jäljelle jäävä tason osa on yhtenäinen, mutta ei yhdesti yhtenäinen. Jos kolmiulotteisesta yhtenäisestä avaruudesta poistetaan origo, jäljelle jäävä osa on yhtenäinen ja myös yhdesti yhtenäinen. Jos taas suorasta poistetaan yksi nollapiste, jäljelle jäävä osa ei ole yhtenäinen.
- Jos joukosta poistetaan mikä tahansa piste (luku), jäljelle jäävä joukko on epäyhtenäinen. Sen sijaan vaikka joukosta , kun n≥2 poistettaisiin ääretön mutta numeroituva määrä pisteitä, jäännös on edelleen yhtenäinen.
- Jokainen diskreetti avaruus, jossa on vähintään kaksi pistettä, on epäyhtenäinen ja lisäksi täysin epäyhtenäinen. Yksinkertaisin tällainen avaruus on diskreetti kahden pisteen avaruus.[3]
- Äärellinenkin avaruus saattaa olla yhtenäinen. Esimerkiksi diskreetin valuaatiorenkaan spektri käsittää vain kaksi pistettä ja on yhtenäinen. Se on esimerkki Sierpińskin avaruudesta.
- Cantorin joukko on täysin epäyhtenäinen. Koska siihen kuuluu ylinumeroituva määrä pisteitä, sillä on myös ylinumeroituva määrä komponentteja.
- Jos avaruus X on homotooppisesti ekvivalentti yhtenäisen avaruuden kanssa, X itsekin on yhtenäinen.
- Topologin sinikäyrä on yhtenäinen, mutta ei polkuyhtenäinen eikä lokaalisti yhtenäinen.[4]
- Yleinen lineaarinen ryhmä (toisin sanoen niiden reaalisten n × n -matriisien ryhmä, joilla on käänteismatriisi), muodostuu kahdesta komponentista: toisen niistä muodostavat ne matriisit, joiden determinantti on positiivinen, toisen ne, joiden determinantti on negatiivinen. Tämä avaruus ei siis ole yhtenäinen. Sen sijaan on yhtenäinen. Yleensäkin kääntyvien rajoitettujen operaattorien joukko kompleksisessa Hilbertin avaruudessa on yhtenäinen.
Polkuyhtenäisyys
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Polkuyhtenäisyys
Topologisessa avaruudessa X polku pisteestä x pisteeseen y on sellainen jatkuva kuvaus f väliltä [0,1] X:ään, että f(0) = x ja f(1) = y. Se, että on olemassa polku pisteestä x pisteeseen y, on avaruuden pisteiden välinen ekvivalenssirelaatio, ja tämän ekvivalenssirelaation ekvivalenssiluokkia sanotaan avaruuden polkukomponenteiksi. Avaruutta X sanotaan polkuyhtenäiseksi, jos siinä on vain yksi polkukomponentti eli mitkä tahansa kaksi pistettä voidaan yhdistää toisiinsa polulla.[4] Joskus määritellään tässäkin erikseen, että tyhjä joukko ei ole polkuyhtenäinen.
Jokainen polkuyhtenäinen avaruus on yhtenäinen.[4] On kuitenkin olemassa yhtenäisiä avaruuksia, jotka eivät ole polkuyhtenäisiä; sellaisia ovat esimerkiksi pitkä suora L* sekä topologin sinikäyrä.
Reaalilukujen joukon osajoukot kuitenkin ovat yhtenäisiä, jos ja vain jos ne ovat polkuyhtenäisiä. Tällaisia joukkoja ovat yksialkioiset joukot sekä avoimet, suljetut ja puoliavoimet välit, mukaan luettuna sellaiset välit, jotka jommassakummassa tai molemmassa päässä ulottuvat äärettömyyteen.
Myös :n ja :n avoimet osajoukot ovat yhtenäisiä, jos ja vain jos ne ovat polkuyhtenäisiä.[4] Samoin on laita äärellisten topologisten avaruuksien osajoukkojen.
Kaariyhtenäisyys
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Avaruutta X sanotaan kaariyhtenäiseksi, jos sen mitkä tahansa kaksi pistettä voidaan yhdistää kaarella, toisin sanoen sellaisella polulla f joka on homeomorfismi yksikkövälin [0, 1] ja sen kuvan f([{0, 1] välillä. Voidaan osoittaa, että jokainen Hausdorff-avaruus, joka on polkuyhtenäinen, on myös kaariyhtenäinen. Esimerkki avaruudesta, joka on polkuyhtenäinen mutta ei kaariyhtenäinen, saadaan lisäämällä ei-negatiivisten reaalilukujen joukkoon [0, ∞) toinen nollapiste 0'. Tässä avaruudessa voidaan määritellä osittainen järjestysrelaatio määrittämällä, että 0'<a kaikilla positiviivisilla luvuilla a, mutta että luvuista 0 ja 0' kumpikaan ei ole toista suurempi tai pienempi. Sen jälkeen tämä joukko voidaan varustaa järjestystopologialla, joka saadaan asettamalla avoimet välit (a, b) = {x | a < x < b} ja puoliavoimet välit [0, a) = {x | 0 ≤ x < a}, [0', a) = {x | 0' ≤ x < a} topologian kannaksi. Näin saatu avaruus on T1-avaruus, mutta ei Hausdorff-avaruus. Selvästikin tämän avaruuden pisteet 0 ja 0' voidaan yhdistää polulla, mutta ei kaarella.
Lokaali yhtenäisyys
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Pääartikkeli: Lokaalisti yhtenäinen avaruus
Topologista avaruutta sanotaan lokaalisti yhtenäiseksi pisteessä x, jos jokainen pisteen x ympäristö sisältää yhtenäisen avoimen ympäristön.[5] Avaruus on lokaalisti yhtenäinen, jos sillä on yhtenäisten joukkojen muodostama kanta. Voidaan osoittaa, että avaruus X on lokaalisti yhtenäinen, jos ja vain jos sen jokaisen avoimen osajoukon jokainen komponentti on avoin.[5] Topologin sinikäyrä on esimerkki yhtenäisestä avaruudesta, joka ei ole lokaalisti yhtenäinen.[5]
Vastaavasti topologista avaruutta sanotaan lokaalisti polkuyhtenäiseksi, jos sillä on polkuyhtenäisten joukkojen muodostama kanta. Lokaalisti polkuyhtenäisen avaruuden avoin osajoukko on yhtenäinen, jos ja vain jos se on polkuyhtenäinen. Tämä on yleistys edellä esitetystä tuloksesta, jonka mukaan ja ovat lokaalisti polkuyhtenäisiä. Myös kaikki topologiset monistot ovat lokaalisti polkuyhtenäisiä.
Sen enempää lokaalista yhtenäisyydestä kuin lokaalista polkuyhtenäisyydestäkään ei välttämättä seuraa yhtenäisyys eikä polkuyhtenäisyys. Esimerkiksi avaruus , joka on kahden avoimen välin yhdiste, on lokaalisti yhtenäinen ja lokaalisti polkuyhtenäinen, mutta ei yhtenäinen eikä polkuyhtenäinen.
Joukko-operaatiot
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Yhtenäisten joukkojen leikkaus ei välttämättä ole yhtenäinen.
Myöskään yhtenäisten joukkojen yhdiste ei välttämättä ole yhtenäinen. Tarkastellaan esimerkkinä yhtenäisten joukkojen kokoelmaa , joiden yhdiste on . Jos on epäyhtenäinen ja avaruuden separaatio, jossa ja ovat erillisiä avoimia joukkoja :ssä, jokaisen :n sisältyy kokonaan joko joukkoon tai , sillä muussa tapauksessa ja muodostaisivat :n separaation, mikä on vastoin oletusta, että se on yhtenäinen.
Tämä merkitsee, että jos yhdiste on epäyhtenäinen, kokoelma voidaan jakaa kahteen alikokoelmaan niin, että alikokoelmien yhdisteet ovat erillisiä ja avoimia joukkoja :ssä, kuten oheisessa kuviossa. Eräissä erityistapauksissa tästä seuraa, että yhtenäisten joukkojen yhdiste on yhtenäinen. Erityisesti:
- Jos kokoelman kaikkien joukkojen leikkaus ei ole tyhjä, niiden yhdiste on yhtenäinen.
- Jos yksikään kahden joukon leikkaus ei ole tyhjä (), joukkoja ei voida jakaa kahteen kokoelmaan, joiden yhdisteet olisivat toisistaan erillisiä, ja näin ollen niiden yhdiste on yhtenäinen.
- Jos joukot voidaan järjestää "yhdistetyksi ketjuksi", toisin sanoen ne voidaan indeksoida kokonaisluvuilla niin, että , niiden yhdiste on yhtenäinen.
- Jos joukot ovat pareittain erilliset ja tekijäavaruus on yhtenäinen, myös on yhtenäinen. Muussa tapauksessa jos olisi :n separaatio, niin olisi tekijäavaruuden separaatio (koska ovat erillisiä ja avoimia tekijäavaruudessa.[6]
Yhtenäisten joukkojen joukkoerotus ei välttämättä ole yhtenäinen. Kuitenkin jos X⊇Y ja niiden erotus X\Y epäyhtenäinen (ja voidaan siten muodostaa kahden avoimen joukon yhdisteenä ), on unionin Y ja jokaisen X\Y:n komponentin leikkaus yhtenäinen.
Tämä voidaan todistaa seuraavasti:[7]
Tehdään vastaoletus, että Y∪X1 ei ole yhtenäinen. Silloin se voitaisiin muodostaa kahden erillisen avoimen joukon yhdisteenä: Y∪X1 = Z1∪Z2. Koska Y on yhtenäinen, sen täytyy kokonaisuudessaan sisältyä jompaankumpaan näistä komponenteista. Nyt tiedetään, että:
- X = (Y∪X1)∪X2 = (Z1∪Z2)∪X2 = (Z1∪X2)∪(Z2∩X1)
Viimeisessä yhdisteessä yhdistetyt joukot ovat erillisiä ja avoimia X:ssä, ja näin ollen olemassa X:n separaatio, mikä on ristiriidassa sen kanssa, että X on yhtenäinen. Näin ollen Y∪X1:n täytyy olla yhtenäinen.mot.
Lauseita
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Päälause. Olkoot X ja Y topologisia avaruuksia ja f: X → Y jatkuva kuvaus. Jos X on yhtenäinen, myös sen kuva f(X) on yhtenäinen[1], ja jos X on polkuyhtenäinen, myös sen kuva f(X) on polkuyhtenäinen[4]. Tätä tulosta voidaan pitää väliarvolauseen yleistyksenä.
- Jokainen polkuyhtenäinen avaruus on yhtenäinen.[4]
- Jokainen lokaalisti polkuyhtenäinen avaruus on lokaalisti yhtenäinen.
- Lokaalisti polkuyhtenäinen avaruus on polkuyhtenäinen, jos ja vain jos se on yhtenäinen.
- Topologisen avaruuden yhtenäisen osajoukon sulkeuma on yhtenäinen.
- Yhtenäiset komponentit ovat aina suljettuja, mutta eivät välttämättä avoimia.[1]
- Lokaalisti yhtenäisen avaruuden komponentit ovat myös avoimia.
- Avaruuden yhtenäiset komponentit ovat polkuyhtenäisten komponenttien erillisiä yhdisteitä. (Polkukomponentit eivät välttämättä ole sen enempää avoimia kuin suljettujakaan.)
- Yhtenäisen avaruuden jokainen tekijäavaruus on yhtenäinen. Samoin lokaalisti yhtenäisen avaruuden jokainen tekijäavaruus on lokaalisti yhtenäinen, polkuyhtenäisen avaruuden jokainen tekijäavaruus polkuyhtenäinen ja lokaalisti polkuyhtenäisen avaruuden jokainen tekijäavaruus lokaalisti polkuyhtenäinen.
- Yhtenäisten joukkojen karteesinen tulo varustettuna tulotopologialla on yhtenäinen. Samoin polkuyhtenäisten joukkojen karteesinen tulo on polkuyhtenäinen.
- Jokainen lokaalisti yhtenäisen avaruuden avoin osajoukko on lokaalisti yhtenäinen. Samoin jokainen lokaalisti polkuyhtenäisen avaruuden avoin osajoukko on lokaalisti polkuyhtenäinen.
- Jokainen monisto on lokaalisti polkuyhtenäinen.
Graafit
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Graafeilla on lokaalisti polkuyhtenäisiä osajoukkoja, nimittäin ne osajoukot, joiden sisällä mitkä tahansa kaksi pistettä voidaan yhdistää sen kaarista muodostuvalla polulla. Mutta aina ei ole mahdollista muodostaa pisteiden joukolle topologiaa, jossa samat joukot olisivat yhtenäisiä. Esimerkiksi 5-syklissä se ei käy päinsä, kuten ei missään muussakaan n-syklissä, kun n on pariton ja suurempi kuin 3.
Näin ollen yhtenäisyyden käsite voidaan muotoilla riippumatta avaruuden topologiasta. Tämän ymmärtämiseksi tarkastellaan niiden konnektiivisten avaruuksien kategoriaa, jotka muodostuvat konnektiivisuusaksioomat toteuttavien yhtenäisten osajoukkojen kokoelmien joukoista; niiden morfismeja ovat ne funktiot, jotka kuvaavat yhtenäiset joukot yhtenäisiksi joukoiksi.[8] Topologiset avaruudet ja graafit ovat tällöin molemmat erikoistapauksia konnektiivisista avaruuksista; itse asiassa äärellisiä konnektiivisia avaruuksia ovat äärelliset graafit ja vain ne.
Toisaalta jokainen graafi voidaan yksikäsitteisellä tavalla muuntaa topologiseksi avaruudeksi käsittelemällä sen solmuja pisteinä ja kaaria yksikkövälin kopioina. Tällöin voidaan osoittaa, että graafi on yhtenäinen (graafiteoreettisessa mielessä), jos ja vain jos se on yhtenäinen topologisenä avaruutena.
Vahvempia yhtenäisyyden muotoja
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Topologisille avaruuksille on olemassa vahvempia yhtenäisyyden mjuotoja, esimerkiksi:
- Jos topologisessa avaruudessa X ei ole olemassa kahta erillistä ei-tyhjää avointa osajoukkoa, X on yhtenäinen, ja niinpä hyperyhtenäiset avaruudet ovat myös yhtenäisiä.
- Koska yhdesti yhtenäisen avaruuden määritelmään sisältyy, että sen on oltava mukaan polkuyhtenäinen, se on myös yhtenäinen. Jos kuitenkin polkuyhtenäisyyden vaatimus poistetaan määritelmästä, avaruus saattaa toteuttaa määritelmän muut ehdot, vaikkei se olisikaan polkuyhtenäinen.
- Yhtenäisyyttä vahvempi käsite on avaruuden kutistuvuus. Jokainen kutistuva avaruus on polkuyhtenäinen ja näin ollen myös yhtenäinen.
Katso myös
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]Lähteet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- James R. Munkres: Topology, second edition. Prentice Hall, 2000. ISBN 0-13-181629-2
- Connected Set Wolfram Math World.
- ”Connected space”, Encyclopedia of Mathematics. Kluwer Academic Publishers, 2002. ISBN 1402006098 Teoksen verkkoversio.
Viitteet
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- ↑ a b c d e f g h i Jussi Väisälä: ”Yhtenäisyys”, Topologia II, s. 53–56. Limes ry, 1981. ISBN 951-745-082-6
- ↑ Vaikka termit muistuttavat hämäävästi toisiaan, tällaisen separaation olemassaolo on aivan eri asia kuin topologisen avaruuden separoituvuus.
- ↑ Geroge F. Simmons: Introduction to Topology and Modern Analysis, s. 144. McGraw Hill Book Company, 1968. ISBN 0-89874-551-9
- ↑ a b c d e f Jussi Väisälä: ”Polkuyhtenäisyys”, Topologia II, s. 56–59. Limes ry, 1981. ISBN 951-745-082-6
- ↑ a b c Jussi Väisälä: ”Lokaali yhtenäisyys”, Topologia II, s. 60–63. Limes ry, 1981. ISBN 951-745-082-6
- ↑ How to prove this result involving quotient maps and connectedness? Math StackExchange.
- ↑ How to prove this result about connectedness Math StackExchange.
- ↑ J. Muscat, D. Buhagiar: Connective Spaces. Mem. Fac. Sci. Eng. Shimane Univ., Series B: Math Sc, 2006, 39. vsk, s. 1–13. Artikkelin verkkoversio.
Kirjallisuutta
[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]- Jalava, Väinö: Moderni analyysi I. (15) Tampere: TTKK, 1976. ISBN 951-720-223-7
- Lipschutz, Seymour: General Topology. McGraw-Hill, 1965. ISBN 0-07-037988-2