Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
Manifold series, part 15: a proof that the quotient of a square with two sides glued is homeomorphic to the cylinderManifold 시리즈 15편: 정사각형의 두 변을 이어 붙인 몫공간이 원기둥과 위상동형임을 보이는 증명
Manifold series매니폴드 시리즈Part 15 of 1818편 중 15번째
- Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
- Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
- Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
- Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
- Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
- Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
- Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
- Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
- Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
- Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
- Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
- Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
- Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
- Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
- Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
- Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
- Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
- Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차
XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 Lesson 15: The cylinder as a quotient space에 해당합니다. 재생목록에서는 이 강의가 맨 끝에 놓여 있지만 내용은 지난 편의 바로 다음입니다. 이번에는 몫공간 기계를 처음으로 제대로 돌려 보고, 정사각형의 두 변을 이어 붙이면 원기둥이 된다는 말을 증명합니다.
무엇을 보이려는 걸까요?
종이를 말아서 마주 보는 두 변을 이으면 원기둥이 됩니다. 이 그림을 위상수학의 말로 옮기는 것이 목표입니다. 종이는 정사각형 이고, 평면의 부분 공간 위상을 가집니다. 이어 붙이기는 동치 관계로 적습니다.
곧 왼쪽 변의 점 와 오른쪽 변의 점 를 같은 높이끼리 한 점으로 묶고, 나머지 점은 자기 자신하고만 묶습니다. 몫공간을 라 하고 정준 사영을 라 하겠습니다. 이 는 집합들의 집합이어서 아직 원기둥이 아닙니다. 목표는 가 원기둥과 위상동형이라는 것입니다.
원기둥은 삼차원 공간 안에서 이렇게 정의합니다.
의 부분 공간 위상을 줍니다. 그러면 사상 를 로 둘 수 있습니다. 직접 말아 보세요. 아래 장난감은 종이를 이 사상의 모양으로 말아 줍니다.
붙이기 슬라이더를 오른쪽 끝까지 밀면 종이가 원기둥이 되고, 표시한 두 점 와 사이의 거리가 0이 됩니다. 인 셈입니다. 그래도 이 그림이 증명은 아닙니다. 그림은 계획이고, 아래 세 단계가 증명입니다.
Q. 말아 올린 종이는 이미 원기둥인데, 왜 증명이 따로 필요한가요?
A. 종이를 말면 두 변이 가까워질 뿐이고, 몫공간이 어떤 위상을 가지는지는 정의에서 따로 정해집니다. 몫공간의 열린집합과 원기둥의 열린집합이 정확히 맞아떨어진다는 것을 확인해야 “같은 모양”이라고 말할 수 있습니다.
1단계: 일대일 대응 만들기
는 연속인 전사 사상입니다. 어디서 같은 값을 가지는지 살펴봅시다. 이면 높이가 같으므로 이고, , 이므로 는 정수입니다. 이므로 이거나 입니다. 그러면 가 같은 값을 주는 점들의 묶음이 정확히 위의 동치류와 같다는 것을 알 수 있습니다.
따라서 는 동치류마다 하나의 값을 주고, 서로 다른 동치류에는 다른 값을 줍니다. 이렇게 해서 일대일 대응
가 생깁니다. 정의역 쪽 대표를 고르는 방법에 상관없이 값이 하나로 정해진다는 점을 확인해 두었습니다. 그림으로는 위 장난감에서 두 점이 하나로 합쳐지는 일이 이 사상이 잘 정의되었다는 뜻입니다.
2단계: 연속임을 보이기
몫공간에서 나가는 사상이 연속인지는 다음 성질로 확인합니다.
몫사상 와 연속 사상 가 있고, 가 의 같은 동치류 위에서 같은 값을 가진다고 합시다. 그러면 를 만족하는 사상 가 하나만 있고, 이 는 연속입니다.
증명은 짧습니다. 의 열린집합 를 잡으면 이고 가 연속이므로 우변은 열려 있습니다. 몫위상의 정의에 따라 가 열려 있습니다. 이것을 보편 성질이라고 부르기도 합니다. 이 성질을 , 에 쓰면 가 연속이라는 결론이 바로 나옵니다.
3단계: 역사상이 연속임을 보이기
연속인 일대일 대응이 곧 위상동형 사상은 아닙니다. 역사상이 연속인지 따로 봐야 합니다. 여기서는 다음 정리가 도와줍니다.
콤팩트 공간에서 하우스도르프 공간으로 가는 연속인 일대일 대응은 위상동형 사상입니다.
이 정리를 쓰려면 두 가지를 확인하면 됩니다.
- 는 콤팩트입니다. 이고 가 콤팩트이며 가 연속이니, 콤팩트 집합의 연속 상은 콤팩트라는 사실에서 나옵니다.
- 는 하우스도르프입니다. 의 부분 공간이어서 그렇습니다.
정리가 맞는 이유도 짚어 둡니다. 의 닫힌집합 는 콤팩트 공간의 닫힌 부분집합이어서 콤팩트입니다. 연속인 로 보낸 상 도 콤팩트이고, 하우스도르프 공간 안의 콤팩트 집합은 닫혀 있습니다. 그러면 는 닫힌 사상이고, 일대일 대응이니 닫힌집합의 상이 닫힌집합이라는 말은 역사상의 역상이 닫혀 있다는 뜻이므로 역사상이 연속이 됩니다.
세 단계를 합치면 는 위상동형 사상입니다. 정사각형의 두 변을 이어 붙인 몫공간은 원기둥과 위상동형이라는 결론입니다.
Q. 콤팩트라는 조건과 하우스도르프라는 조건은 왜 하나씩 필요한가요?
A. 콤팩트는 정의역의 닫힌집합이 콤팩트로 남게 해 주고, 하우스도르프는 콤팩트 집합이 치역에서 닫힌집합이 되게 해 줍니다. 둘이 만나야 닫힌집합이 닫힌집합으로 가고, 그래서 역사상이 연속이 됩니다. 콤팩트 조건이 없으면 반례가 있습니다. 구간 에서 원으로 가는 사상 는 연속인 일대일 대응인데 위상동형 사상이 되지 못합니다. 정의역이 콤팩트하지 않기 때문입니다. (이 반례는 이해를 돕기 위해 보탠 설명이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
이 증명이 보여 주는 것
처음의 질문으로 돌아가 봅시다. “종이를 말아서 두 변을 이으면 원기둥”이라는 말은 이제 문장 하나로 정확해졌습니다. 몫공간 이 안의 원기둥 와 위상동형입니다. 위상동형이면 연결성, 콤팩트성 같은 위상적 성질은 모두 같습니다. 증명의 뼈대는 이렇습니다.
- 붙이는 사상 가 같은 값을 주는 점들의 묶음을 동치류로 삼습니다.
- 보편 성질로 의 연속을 얻습니다.
- 콤팩트와 하우스도르프로 역사상의 연속을 얻습니다.
이 세 단계는 앞으로 다른 모양을 만들 때도 거의 그대로 반복됩니다.
덧붙이면 이 원기둥은 양쪽에 둥근 가장자리가 있는 닫힌 원기둥입니다. 가장자리 근처 점은 반평면과 닮은 이웃을 가지므로, 매니폴드 가운데서도 경계가 있는 매니폴드에 속합니다. 이 이야기는 매니폴드의 정의를 만나는 때 다시 다룹니다. (이 단락도 보탠 설명이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
다음 강의에서는 이어 붙이는 방향을 뒤집어 뫼비우스 띠를 만들고, 이번 증명이 어디까지 그대로 통하는지 살펴봅니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers Lesson 15: The cylinder as a quotient space. In the playlist this lecture sits at the very end, but in content it follows the previous post directly. This time we run the quotient machinery properly for the first time and prove that gluing two sides of a square gives a cylinder.
What do we want to show?
Roll a sheet of paper and join two opposite edges, and you get a cylinder. The goal is to translate this picture into the language of topology. The paper is the square with the subspace topology from the plane. We write the gluing as an equivalence relation.
So the point on the left side is tied to the point on the right side at the same height, and every other point is tied only to itself. Call the quotient space and the canonical projection . This is a set of sets, so it is not yet a cylinder. The goal is that is homeomorphic to the cylinder.
We define the cylinder inside three-dimensional space.
It carries the subspace topology of . Then we can define a map by . Roll it yourself. The toy below curls the paper into the shape of this map.
Push the Glue slider all the way to the right and the paper becomes a cylinder, and the distance between the marked points and drops to 0. That is . This picture is still not a proof. The picture is the plan, and the three steps below are the proof.
Q. A rolled-up sheet is already a cylinder, so why is a separate proof needed?
A. Rolling only brings the two edges close together, and the topology of the quotient space is fixed separately by the definition. We have to check that the open sets of the quotient space match the open sets of the cylinder exactly before we can say they have “the same shape”.
Step 1: build a one-to-one correspondence
is a continuous surjection. Let us see where it takes equal values. If , the heights agree, so , and and force to be an integer. Since , either or . So the groups of points that sends to the same value are exactly the equivalence classes above.
Therefore gives one value per class and different values on different classes. This gives a one-to-one correspondence
Note that the value does not depend on which representative of the class we pick. In the toy above, the two points merging into one is what it means for this map to be well defined.
Step 2: show it is continuous
To check that a map out of a quotient space is continuous, we use the following property.
Let be a quotient map and a continuous map that takes the same value on each equivalence class of . Then there is exactly one map with , and this is continuous.
The proof is short. Take an open set of . Then , and the right side is open because is continuous. By the definition of the quotient topology, is open. This is sometimes called the universal property. Apply it with and , and we get at once that is continuous.
Step 3: show the inverse is continuous
A continuous one-to-one correspondence is not automatically a homeomorphism. We have to check separately that the inverse is continuous. Here the following theorem helps.
A continuous one-to-one correspondence from a compact space to a Hausdorff space is a homeomorphism.
To use this theorem we check two things.
- is compact. , the square is compact, and is continuous, so this follows from the fact that the continuous image of a compact set is compact.
- is Hausdorff. It is a subspace of .
Let us also recall why the theorem holds. A closed set of is a closed subset of a compact space, hence compact. Its image under the continuous map is compact, and a compact set in the Hausdorff space is closed. So is a closed map, and since it is a one-to-one correspondence, the preimage under the inverse, which is the image under , of a closed set is closed, so the inverse is continuous.
Putting the three steps together, is a homeomorphism. The quotient space from gluing two sides of a square is homeomorphic to the cylinder.
Q. Why do we need the compact condition and the Hausdorff condition, one each?
A. Compactness keeps closed sets of the domain compact, and the Hausdorff property makes compact sets closed in the target. Only together do closed sets go to closed sets, and that makes the inverse continuous. Without compactness there is a counterexample. The map from the interval to the circle is a continuous one-to-one correspondence that is not a homeomorphism, because the domain is not compact. (This counterexample is added for understanding and was not covered in the lecture.)
What this proof shows
Back to the first question. The sentence “roll the paper and join two edges to get a cylinder” is now exact in one line. The quotient space is homeomorphic to the cylinder in . Homeomorphic spaces share every topological property, such as connectedness and compactness. The skeleton of the proof is this.
- Take the groups of points that the gluing map sends to the same value as the equivalence classes.
- Get continuity of from the universal property.
- Get continuity of the inverse from compactness and the Hausdorff property.
These three steps repeat almost unchanged when we build other shapes.
As an extra remark, this cylinder is the closed cylinder with round rims at both ends. Points near a rim have neighborhoods that look like a half plane, so it belongs to the manifolds with boundary. We return to this when the definition of a manifold arrives. (This paragraph is also added and was not covered in the lecture.)
In the next lecture we flip the direction of the gluing to make the Möbius strip and see how far this proof carries over unchanged.
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