Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스

Manifold series, part 1: the definition and examples of a topology (a collection of open sets), and topological spacesManifold 시리즈 1편: 위상(열린집합 모음)의 정의와 예시, 위상 공간

Manifold series매니폴드 시리즈Part 1 of 1818편 중 1번째
  1. Manifold #1. Point Set Topology and Topological Spaces매니폴드 #1. 포인트 셋 토폴로지와 토폴로지컬 스페이스
  2. Manifold #2. Elementary Definitions매니폴드 #2. 기본 정의: 닫힌집합, 극한점, 폐포, 내부, 경계, 조밀
  3. Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
  4. Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형
  5. Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질
  6. Manifold #6. Topological Manifolds매니폴드 #6. 위상 매니폴드
  7. Manifold #7. Differentiable Manifolds매니폴드 #7. 미분 가능 매니폴드
  8. Manifold #8. Diffeomorphisms매니폴드 #8. 미분동형사상
  9. Manifold #9. The Tangent Space - Definition매니폴드 #9. 접공간의 정의
  10. Manifold #10. Tangent Space - Basis Vectors매니폴드 #10. 접공간의 기저 벡터
  11. Manifold #11. The Cotangent Space매니폴드 #11. 코탄젠트 스페이스
  12. Manifold #12. Fiber Bundles - Formal Description매니폴드 #12. 파이버 번들의 정의
  13. Manifold #13. The tangent bundle - an illustration.매니폴드 #13. 탄젠트 번들의 예
  14. Manifold #14. Quotient Spaces매니폴드 #14. 몫공간
  15. Manifold #15. The Cylinder as a Quotient Space매니폴드 #15. 몫공간으로 만든 원기둥
  16. Manifold #16. The Möbius Strip매니폴드 #16. 뫼비우스 띠
  17. Manifold #17. Metric Spaces매니폴드 #17. 거리 공간
  18. Manifold #18. Homotopy매니폴드 #18. 호모토피
Contents목차

이 글은 앞서 정리한 Tensor 시리즈와 같은 XylyXylyX의 강의를 이어서 정리하는 Manifold 시리즈의 첫 글입니다. Tensor 시리즈에서 좌표와 벡터 스페이스를 다뤘다면, 여기서는 좌표계의 수학적 바탕인 매니폴드를 집합과 위상에서부터 쌓아 올립니다.

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 1강 Point Set Topology and Topological Spaces에 해당합니다.

왜 위상부터 시작할까요?

이 시리즈의 최종 목표는 매니폴드manifold입니다. 매니폴드는 좌표계라는 개념의 수학적 기초이고, 일반 상대성 이론에서 좌표계는 아주 큰 비중을 차지합니다. 엄밀함은 중간 정도로 가져가고, 매니폴드에 도달하기 전에 포인트 셋 토폴로지point set topology를 먼저 훑습니다. 물리를 공부하는 사람은 미분 방정식, 선형대수는 배워도 위상은 따로 배우지 않는 경우가 많습니다. 그래도 해석학을 하려면 도움이 되는 과목이라, 핵심만 짚고 가겠습니다.

구조가 없는 점들의 집합

시리즈 내내 예시 두 개를 쓰겠습니다. 하나는 우리가 아는 2차원 평면 R2\R^2이고, 다른 하나는 실수 직선 위의 열린 구간 (0,1)(0, 1)입니다. 괄호가 열렸다는 것은 양 끝점 00과 11을 포함하지 않는다는 뜻입니다.

지금 이 둘은 점들을 잔뜩 모아 놓은 집합일 뿐입니다. 벡터 스페이스가 되려면 갖춰야 할 구조가 없어서 점끼리 더할 수 없고, 영점도 없습니다. 점마다 이름(좌표)이 있어도, 그 이름은 그저 이름입니다. 여기에 구조를 하나 줄 텐데, 먼저 두 점 사이의 거리를 재는 함수 dd가 있다고 하겠습니다. 이 거리 함수는 벡터 스페이스에서 만났던 메트릭과 다른 것이고, 두 점이 얼마나 떨어져 있는지만 알려 줍니다. 이 집합들에 이름을 붙여 평면을 XX, 구간을 YY라고 하겠습니다.

위상이란 무엇인가

집합 XX에 다음 구조를 줍니다. XX의 부분집합을 모아 놓은 집합을 하나 만들고, 그것을 XX의 위상topology TX\mathcal{T}_X라고 부릅니다. 이 모음에 들어 있는 부분집합 하나하나를 열린집합open set이라고 부릅니다. 즉 열린집합이란 위상의 원소입니다.

아무 모음이나 위상이 되는 것은 아니고, 규칙이 있습니다. 규칙은 이렇습니다.

  1. 공집합 ∅\emptyset이 TX\mathcal{T}_X의 원소입니다.
  2. 집합 XX 자신이 TX\mathcal{T}_X의 원소입니다.
  3. 열린집합들의 합집합은 열린집합입니다. 두 개든 무한히 많든 같습니다.
  4. 열린집합들의 교집합은 열린집합입니다. 단, 유한 개일 때만 그렇습니다.

이 네 조건을 만족하는 모음을 찾으면 XX에 위상을 준 것입니다. 어떤 열린집합을 고르는지는 우리 마음이고, 조건만 만족하면 올바른 위상입니다.

직접 확인해 봅시다. 원소가 세 개인 집합에서 열린집합으로 삼을 부분집합을 골라 보세요. 조건 네 개가 하나씩 검사됩니다. 합집합이나 교집합이 모음에 없으면 어느 집합이 빠졌는지 알려 줍니다.

Q. 집합이 유한한데 무한 합집합은 왜 따로 확인하지 않나요?
A. 유한 집합에서는 무한히 많은 부분집합을 합쳐도 결국 서로 다른 부분집합은 유한 개이므로, 둘씩 합치는 확인을 거듭하면 충분합니다. 위 장난감이 두 개씩만 확인하는 이유입니다.

평면의 위상: 열린 공

평면의 열린집합으로 열린 공open ball을 쓰겠습니다. 중심이 pp이고 반지름이 rr인 열린 공은 이런 집합입니다.

{ x∈X∣d(x,p)<r }\{\, x \in X \mid d(x, p) < r \,\}

부등호가 <<이므로 경계는 포함하지 않습니다. 평면에서는 경계가 없는 원판이고, 3차원이면 공, 차원이 더 커져도 같은 식으로 일반화됩니다. 중심과 반지름을 마음대로 고른 열린 공을 모두 열린집합으로 삼으면, 열린집합이 벌써 무한히 많이 생깁니다.

하지만 열린 공만 있어서는 안 됩니다. 규칙 3에 따라 열린 공 둘의 합집합도 열린집합이어야 하니까요. 열린 공을 더 많이 합치면 2차원에서 만들 수 있는 거의 어떤 모양이든 얻습니다. 경계를 포함하지 않는 정사각형도 공을 점점 모아 가며 채우면 만들 수 있습니다. 교집합도 마찬가지로, 두 공이 겹친 부분은 열린집합입니다.

그러면 열린집합이 될 수 없는 것도 있을까요? 점 하나가 그렇습니다. 반지름이 0이면 공은 빈 집합이 되고, 열린 공들의 교집합은 규칙 4에 따라 유한 개까지만 허용되므로 점 하나로 좁혀 들어갈 수 없습니다. 무한 교집합은 점으로 좁아질 수 있어도 우리는 그것을 허용하지 않았습니다.

열린 공들로 어떤 열린집합이든 합집합으로 만들 수 있으므로, 열린 공들을 이 위상의 베이스base라고 부릅니다. 베이스는 위상의 부분집합으로, 그 원소들의 합집합으로 위상의 모든 원소를 만들 수 있는 모음입니다. 경계를 포함하지 않는 직사각형 전체를 베이스로 삼아도 같은 위상이 나옵니다. 평면의 이 위상을 보통 위상usual topology이라고 부릅니다. 직선의 보통 위상은 열린 구간 전체를 베이스로 하는 위상입니다.

다른 위상들

같은 집합에 다른 위상도 줄 수 있습니다.

  • 이산 위상discrete topology: 점 하나하나가 열린집합입니다. 규칙 3 때문에 모든 부분집합이 열린집합이 되어, 위상은 집합의 모든 부분집합을 모은 멱집합power set이 되고, 가능한 위상 중 가장 큽니다.
  • 자명한 위상trivial topology: 열린집합이 ∅\emptyset과 XX 둘뿐입니다. 규칙은 모두 만족하지만 너무 빈약해서 쓸모가 적습니다.

두 위상은 어떤 집합에도 줄 수 있습니다. 위 장난감의 “이산 위상”, “자명한 위상” 단추로 확인해 보세요. 쓸모 있는 위상은 그 사이에 있습니다.

구간 (0,1)(0, 1)에는 눈여겨볼 위상이 하나 더 있습니다. 자연수 n=2,3,4,…n = 2, 3, 4, \dots에 대해 열린 구간 (0, 1−1n)\left(0,\ 1 - \tfrac{1}{n}\right)을 모두 열린집합으로 삼고, ∅\emptyset과 구간 전체 (0,1)(0, 1)도 넣습니다. 이 구간들은 오른쪽 끝이 12,23,34,…\tfrac12, \tfrac23, \tfrac34, \dots로 11에 한없이 가까워집니다. 두 구간의 합집합은 둘 중 큰 쪽이고 교집합은 작은 쪽이므로, 규칙이 모두 지켜집니다. 위상의 원소가 무한히 많아도 nn으로 셀 수 있고, 이 경우에는 베이스와 위상이 거의 같습니다. 보통 위상과는 다른 위상이고, 평면에도 열린 공으로 만들지 않는 위상이 있지만 아주 미묘해서 나중에 반례로 쓸 때 다루겠습니다.

토폴로지컬 스페이스

마지막으로 용어를 하나 정리합니다. 집합 XX와 그 위상 TX\mathcal{T}_X를 짝으로 묶은 것을 토폴로지컬 스페이스topological space라고 부릅니다. 토폴로지컬 스페이스라는 말을 도넛이나 구 같은 도형으로 이해하면 안 됩니다. 그런 것은 기하학적 위상이나 미분 위상, 대수적 위상에서 다루는 이야기이고, 지금 다루는 포인트 셋 토폴로지에서는 집합과 그 위의 위상이 전부입니다. 같은 집합에도 위상이 여러 개 있으니, 위상이 다르면 다른 토폴로지컬 스페이스입니다.

다음 강의에서는 위상을 서로 구분해 주는 성질들, 즉 연결성connectedness, 가산성countability, 분리 가능성separability 같은 것을 구간을 예로 살펴보고, 보통 위상을 가진 평면이 어떤 성질을 가지는지 확인합니다.

This is the first post of the Manifold series, which continues my notes on XylyXylyX’s lectures after the Tensor series. The Tensor series dealt with coordinates and vector spaces. Here we build up the manifold, the mathematical basis of coordinate systems, starting from sets and topology.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 1 of the playlist, Point Set Topology and Topological Spaces.

Why start with topology?

The final goal of this series is the manifold. A manifold is the mathematical foundation of the idea of a coordinate system, and coordinate systems loom large in general relativity. We keep the rigor at an intermediate level, and before reaching the manifold we first survey point set topology. Physics students often learn differential equations and linear algebra but never study topology separately. It still helps for analysis, so we will pick out only the key points.

A set of points with no structure

We use two examples throughout the series. One is the two-dimensional plane R2\R^2 we all know, and the other is the open interval (0,1)(0, 1) on the real line. The open parentheses mean the endpoints 00 and 11 are not included.

For now these are just sets with a huge number of points. They are not vector spaces, so points cannot be added and there is no zero point. Each point may have a name (a coordinate), but the name is only a name. We will give them structure, and first we say there is a function dd that measures the distance between two points. This distance function is a different thing from the metric we met in vector spaces. It only tells us how far apart two points are. Let us name these sets: the plane is XX and the interval is YY.

What is a topology?

On a set XX we put the following structure. Make a set whose members are subsets of XX, and call it the topology TX\mathcal{T}_X of XX. Each subset in this collection is called an open set. That is, an open set is an element of the topology.

Not every collection is a topology. There are rules.

  1. The empty set ∅\emptyset is an element of TX\mathcal{T}_X.
  2. The set XX itself is an element of TX\mathcal{T}_X.
  3. The union of open sets is an open set, whether two of them or infinitely many.
  4. The intersection of open sets is an open set, but only for finitely many.

If we find a collection that satisfies these four conditions, we have given XX a topology. Which open sets we choose is up to us, and as long as the conditions hold it is a legitimate topology.

Let us check by hand. In a set with three elements, pick the subsets you want to call open. The four conditions are tested one by one. When a union or an intersection is missing from the collection, the toy tells you which set is missing.

Q. The set is finite, so why do we not check infinite unions separately?
A. In a finite set, even if we combine infinitely many subsets there are only finitely many distinct subsets in the end, so repeating the check two at a time is enough. That is why the toy above checks only two at a time.

A topology on the plane: open balls

For open sets on the plane we use open balls. The open ball with center pp and radius rr is this set.

{ x∈X∣d(x,p)<r }\{\, x \in X \mid d(x, p) < r \,\}

The inequality is <<, so the boundary is not included. On the plane it is a disc without its boundary, in three dimensions a ball, and the same idea generalizes to higher dimensions. If we declare every open ball, with any center and any radius, to be an open set, we already have infinitely many open sets.

But open balls alone will not do. By rule 3, the union of two open balls must also be an open set. Taking unions of more open balls gives almost any shape we can make in two dimensions. Even a square without its boundary can be made by filling it with ever more balls. Intersections work the same way: the overlap of two balls is an open set.

Then is there anything that is not an open set? A single point is one. An open ball cannot have radius 0, and by rule 4 intersections of open balls are allowed only finitely many times, so we can never shrink down to a single point. An infinite intersection could narrow down to a point, but we did not allow it.

Since unions of open balls can build any open set, the open balls are called a base of this topology. A base is a subset of the topology whose members can be united to make every element of the topology. If we take all rectangles without boundary as the base, we get the same topology. This topology of the plane is called the usual topology. The usual topology of the line has all open intervals as its base.

Other topologies

The same set can be given other topologies.

  • Discrete topology: every single point is an open set. By rule 3 every subset becomes an open set, so the topology is the power set, the collection of all subsets, and it is the largest topology possible.
  • Trivial topology: the only open sets are ∅\emptyset and XX. It satisfies all the rules, but it is too poor to be of much use.

Both can be given to any set. Try them with the “Discrete topology” and “Trivial topology” buttons in the toy above. The useful topologies lie in between.

The interval (0,1)(0, 1) has one more topology worth noticing. For the natural numbers n=2,3,4,…n = 2, 3, 4, \dots, declare all the open intervals (0, 1−1n)\left(0,\ 1 - \tfrac{1}{n}\right) to be open sets, and also include ∅\emptyset and the whole interval (0,1)(0, 1). The right ends of these intervals are 12,23,34,…\tfrac12, \tfrac23, \tfrac34, \dots, approaching 11 as closely as we like. The union of two intervals is the larger one and the intersection is the smaller one, so all rules hold. Even though the topology has infinitely many elements, they can be counted by nn, and in this case the base and the topology are almost the same. It is a different topology from the usual one. The plane has topologies other than the open ball one too, but they are very subtle, so I will deal with them when I use one as a counterexample later.

Topological spaces

Finally, one term. A set XX together with its topology TX\mathcal{T}_X, bundled as a pair, is called a topological space. Do not understand the word topological space as a shape such as a donut or a sphere. Those belong to geometric topology, differential topology, and algebraic topology. In the point set topology we are doing now, a set and a topology on it are everything. The same set has several topologies, and a different topology gives a different topological space.

In the next lecture we look at properties that tell topologies apart, namely connectedness, countability, and separability, using the interval as an example, and then check which properties the plane with its usual topology has.

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