Manifold #3. Separation매니폴드 #3. 분리: T0, T1, T2와 하우스도르프
Manifold series, part 3: several topologies of the line, and the separation axioms T0, T1, and T2 (Hausdorff)Manifold 시리즈 3편: 수직선의 여러 위상과 분리 공리 T0, T1, T2(하우스도르프)
Manifold series매니폴드 시리즈Part 3 of 1818편 중 3번째
- 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 3강 Separation에 해당합니다. 지난 편에서 열린집합으로 가까움을 말하는 법을 익혔습니다. 이번 편에서는 같은 직선에 위상을 다섯 가지로 달리 주고, 위상이 서로 다른 두 점을 얼마나 잘 갈라 놓는지를 분리 공리 , , 로 비교합니다.
같은 선, 다른 위상
점의 집합이 같아도 위상이 다르면 다른 공간입니다. 이 편은 이 말을 선 위의 다섯 가지 위상으로 보여 줍니다. 각 위상은 기저, 곧 열린집합을 만들어 내는 기본 집합들을 말해 주는 방식으로 정합니다. 기저의 집합들을 합집합으로 모은 것과, 겹치는 부분(유한 개의 교집합)까지 닫아 놓은 것이 위상이 됩니다. 강의에서는 교집합도 임의로 허용하는 듯 말하는 대목이 있는데, 위상에서 허용하는 교집합은 유한 개까지입니다.
- 보통 위상. 실수 전체 에서 열린 구간 가 기저입니다. 앞 편에서 본 열린 공의 1차원판입니다.
- 중첩 구간 위상. 구간 에서 열린집합은 공집합, 전체, 그리고 꼴뿐입니다. 이므로 가 차례로 들어갑니다. 열린집합들이 서로 겹겹이 포개져 있습니다.
- 닫힌 구간 위상. 구간 에서 꼴(단 )과 꼴(단 )을 기저로 정합니다. 두 꼴의 교집합은 이므로 0을 품은 열린 구간이 열린집합이 되고, 공집합과 전체도 들어갑니다. 이름은 끝점 을 넣었다는 뜻이고, 실해석에서는 반열림 구간이라 부르는 집합들이지만 위상의 원소이니 열린집합입니다. 열린집합은 위상에 속하는 집합이라는 것이 정의입니다. 0을 품지 않은 구간은 열린집합이 아닙니다.
- 여유한 위상. 구간 에서 유한 개의 점을 뺀 집합이 열린집합이고, 공집합도 포함합니다. 점 몇 개를 빼내도 열린집합이고, 100만 개를 빼도 유한이면 열린집합입니다. 두 열린집합의 합집합은 빠진 점의 일부만 남기고, 교집합은 빠진 점들을 모두 모으되 여전히 유한 개이므로 위상의 규칙을 지킵니다.
- 하한 위상. 에서 반열림 구간 가 기저이고, 왼쪽 끝은 포함하고 오른쪽 끝은 뺍니다. 보통 위상보다 열린집합이 많은 꽤 유명한 위상입니다.
이 다섯 가지 모두 합집합과 교집합의 규칙을 확인하면 위상이 됩니다.
두 점을 가르는 세 가지 수준
분리 공리는 서로 다른 두 점 를 열린집합으로 구별할 수 있느냐는 질문을 점점 엄격하게 만든 것입니다.
- : 두 점 가운데 하나만이라도, 그 점은 담고 다른 점은 담지 않는 열린집합이 있습니다. 콜모고로프 공간이라고도 부릅니다. 가장 약한 조건입니다.
- : 어느 쪽 점으로도 가를 수 있습니다. 곧 는 담고 는 담지 않는 열린집합과, 는 담고 는 담지 않는 열린집합이 각각 있습니다. 강의는 두 점이 각자 자기 열린집합에 들어가는 상태로 말합니다. 때로 프레셰 공간이라 부르지만 강의에서도 이름이 확실하지 않다고 말합니다.
- : 두 점이 각자 열린집합에 들어가되 그 두 열린집합이 서로소입니다. 하우스도르프 공간이라 부릅니다.
이면 이고 이면 입니다. 서로 다른 모든 두 점에 대해 성립해야 그 공간이 입니다. 한 쌍이라도 실패하면 공간은 그 수준에 이르지 못합니다.
Q. 은 보다 무엇이 더 필요한가요?
A. 는 한 방향만 갈라도 되지만 은 두 방향 모두 갈라야 합니다. 같은 이유로 인 공간에서는 점 하나가 닫힌집합입니다. (이 동치는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
위상마다 따져 보기
중첩 구간 위상은 도 아닙니다. 열린집합 의 오른쪽 끝은 뿐이라 이 값들 사이에 점이 둘 있으면 둘을 가르는 열린집합이 없습니다. 예를 들어 와 사이에 놓인 두 점은 어떤 열린집합에 같이 들어가거나 같이 빠지고, 이 쌍에서 가 깨집니다.
닫힌 구간 위상은 이지만 은 아닙니다. 0을 품은 열린집합만 쓸 수 있다는 점이 열쇠입니다. 0의 양쪽에 있는 두 점은 한쪽 끝만 짧게 잘라서 가를 수 있습니다. 같은 쪽에 있는 두 점 는 로 가까운 점 만 담아 가를 수 있습니다. 그러나 먼 점 를 담으면서 를 빼는 열린집합은 없습니다. 0을 품은 구간이 먼 점까지 뻗으면 가까운 점도 지나기 때문입니다. 한 방향만 되므로 이고 은 아닙니다. 또 비어 있지 않은 열린집합은 모두 0을 품으므로 어떤 두 열린집합도 서로소가 될 수 없고, 도 아닙니다.
여유한 위상은 이지만 는 아닙니다. 두 점 에서 를 뺀 집합은 를 담고 는 담지 않는 열린집합이고, 를 뺀 집합은 반대입니다. 그래서 입니다. 그러나 두 여유한 열린집합은 무한히 많은 점을 함께 담으므로 서로소인 열린집합 쌍은 어디에도 없습니다. 위 두 열린집합도 한 점씩만 다른 거의 같은 집합입니다. 이면서 를 만족하지 않는 공간을 찾기는 의외로 어려운데, 여유한 위상이 그 간단한 예입니다.
보통 위상은 입니다. 두 점을 각각 작은 열린 구간에 넣되 두 구간이 겹치지 않을 만큼 작게 잡으면 됩니다. 그래서 이고 입니다.
하한 위상도 입니다. 이면 과 를 잡습니다. 여기서 은 와 의 중점이고 는 의 절반입니다. 두 집합은 겹치지 않습니다. (이 사실은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
정리하면 다음과 같습니다.
| 위상 | |||
|---|---|---|---|
| 보통 | 예 | 예 | 예 |
| 하한 | 예 | 예 | 예 |
| 중첩 구간 | 아니요 | 아니요 | 아니요 |
| 닫힌 구간 | 예 | 아니요 | 아니요 |
| 여유한 | 예 | 예 | 아니요 |
직접 확인해 보기
위상을 하나 고르고 슬라이더로 두 점을 잡아 보세요. 두 점을 가르는 열린집합이 막대로 그려지고, 서로소인 열린집합 쌍이 있는지 알려 줍니다. 여유한 위상에서는 점을 어디에 두어도 두 방향 모두 갈라지지만 서로소 쌍은 끝내 나오지 않습니다. 장난감은 [−1, 1] 위에서 움직이므로 중첩 구간 위상은 을 옮긴 모양으로, 끝값이 ()인 [−1, c) 꼴 열린집합을 씁니다.
Q. 닫힌 구간 위상에서 0과 다른 점을 두면 이 되나요?
A. 되지 않습니다. 0은 비어 있지 않은 모든 열린집합에 들어 있으므로 0을 담지 않으면서 다른 점을 담는 열린집합이 없습니다. 장난감에서 점 하나를 0에 놓아 보면 한 방향만 ‘예’가 됩니다.
하우스도르프가 중요한 까닭
물리에 쓰는 거의 모든 공간은 입니다. 매니폴드를 다루는 글에서 제2가산 하우스도르프 공간을 가정한다는 말을 자주 보는데, 이 말은 위상에서 나오는 이 조건들을 한꺼번에 가리킵니다. 하우스도르프가 아니면 한 점으로 수렴하는 수열의 극한이 여러 개일 수 있어 미분 같은 도구가 무너집니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)
보다 더 강한 조건도 있습니다. 점 자리에 닫힌집합을 놓고 서로소인 열린집합으로 가르는 것입니다. 점과 닫힌집합을 가를 수 있으면 정칙, 서로소인 두 닫힌집합을 가를 수 있으면 정규입니다. 강의에서는 어느 쪽이 어느 이름인지 헷갈린다며 위 순서로 가렸습니다. 이것이 표준 용법과 같습니다. 이 성질들을 잃는 예로 평면의 홈 난 원판 위상이 소개됩니다. 평면을 직선으로 나누어 양쪽에서는 열린 원판을 쓰고, 직선 위에서는 이산 위상처럼 되도록 열린집합을 만듭니다. 강의에서도 세부를 건너뛰었으므로 이 글에서도 자세히 다루지 않습니다.
부분공간과 곱
이 편의 끝에서 새로운 위상을 만드는 두 가지 흔한 방법도 간단히 소개합니다. 하나는 부분공간 위상입니다. 평면 의 직선 은 평면의 열린집합들과 의 교집합을 열린집합으로 삼고, 그러면 은 보통의 직선 위상을 물려받습니다. 다른 하나는 곱위상입니다. 위상 를 가진 집합 와 위상 를 가진 집합 의 곱집합 에는 라는 위상이 자연스럽게 생깁니다.
다음 편에서는 가산성 공리와 연속 함수를 다룹니다.
These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 3 of the playlist, Separation. In the previous post we learned to talk about nearness with open sets. This time we give the same line five different topologies and compare how well each one keeps two distinct points apart, using the separation axioms , , and .
The same line, different topologies
Even when the set of points is the same, a different topology gives a different space. This post shows that with five topologies on a line. Each topology is given by a base, the basic sets from which the open sets are built. The topology consists of all unions of base sets, closed under overlaps (finite intersections) as well. The lecture has a passage that sounds as if arbitrary intersections were also allowed, but a topology only allows finite intersections.
- The usual topology. On the whole real line , the open intervals form a base. This is the one-dimensional version of the open balls from the previous post.
- The nested interval topology. On the interval , the open sets are the empty set, the whole interval, and the sets of the form for , so go in one after another. The open sets are stacked one inside another.
- The closed interval topology. On the interval , the base consists of sets with and sets with . The intersection of the two kinds is , so open intervals containing 0 become open sets, and the empty set and the whole set are included. The name means the endpoints are included. In real analysis these sets are called half-open intervals, but they are elements of the topology, so they are open sets. By definition, an open set is a set that belongs to the topology. An interval that does not contain 0 is not open.
- The cofinite topology. On , an open set is a set with finitely many points removed, together with the empty set. Removing a few points leaves an open set, and so does removing a million, as long as the number is finite. The union of two such sets leaves only some of the removed points, and the intersection gathers all removed points but still finitely many, so the rules of a topology hold.
- The lower limit topology. On , the half-open intervals form a base, which includes the left end and omits the right end. It has more open sets than the usual topology and is a fairly famous one.
Checking the rules for unions and intersections shows that all five are topologies.
Three levels of separating two points
The separation axioms make the question “can open sets tell two distinct points apart?” more and more demanding.
- : at least one of the two points has an open set that contains it but not the other point. This is also called a Kolmogorov space. It is the weakest condition.
- : we can separate from either side. That is, there is an open set containing but not , and another containing but not . The lecture phrases it as the two points each sitting in their own open set. It is sometimes called a Fréchet space, though the lecturer says the name is not certain.
- : the two points each sit in an open set, and those two open sets are disjoint. This is called a Hausdorff space.
implies , and implies . The condition must hold for every pair of distinct points for the space to be . If even one pair fails, the space does not reach that level.
Q. What does need beyond ?
A. may separate in only one direction, but must separate in both. For the same reason, a single point is a closed set in a space. (This equivalence is added to help understanding and was not covered in the lecture.)
Checking each topology
The nested interval topology is not even . The right ends of the open sets are only , so if two points lie between consecutive values, no open set separates them. For example, two points between and are either both inside an open set or both outside it, and breaks at this pair.
The closed interval topology is but not . The key is that only open sets containing 0 are available. Two points on opposite sides of 0 can be separated by trimming just one end. Two points on the same side can be separated by , which contains only the nearer point . But there is no open set that contains the farther point and leaves out , because an interval containing 0 that reaches the farther point also passes the nearer one. Separation works in only one direction, so the space is and not . Also, every nonempty open set contains 0, so no two open sets are disjoint, and it is not either.
The cofinite topology is but not . For two points , the set with removed is an open set containing but not , and the set with removed does the opposite. So it is . But two cofinite open sets share infinitely many points, so no pair of disjoint open sets exists. The two open sets above are almost the same set, differing by one point. It is surprisingly hard to find a space that is but not , and the cofinite topology is a simple example.
The usual topology is . Put each point in a small open interval, small enough that the two intervals do not overlap. So it is also and .
The lower limit topology is also . If , take and , where is the midpoint of and and is half of . These two sets do not overlap. (This fact is added to help understanding and was not covered in the lecture.)
In summary:
| Topology | |||
|---|---|---|---|
| Usual | yes | yes | yes |
| Lower limit | yes | yes | yes |
| Nested interval | no | no | no |
| Closed interval | yes | no | no |
| Cofinite | yes | yes | no |
Try it by hand
Pick a topology and set two points with the sliders. The open sets that separate the two points are drawn as bars, and the toy tells you whether a pair of disjoint open sets exists. In the cofinite topology the points separate in both directions wherever you put them, but a disjoint pair never appears. The toy works on [−1, 1], so the nested interval topology is the shifted copy of , using open sets of the form [−1, c) with end values ().
Q. In the closed interval topology, does putting one point at 0 and another elsewhere give ?
A. It does not. Every nonempty open set contains 0, so there is no open set that contains the other point without containing 0. In the toy, place one point at 0 and only one direction says “yes”.
Why Hausdorff matters
Almost every space used in physics is . Texts on manifolds often say “assume a second countable Hausdorff space”, and this phrase bundles together conditions that come from topology. Without the Hausdorff property, a sequence converging to a point can have several limits, and tools such as differentiation fall apart. (This explanation is added to help understanding and was not covered in the lecture.)
There are conditions stronger than . They separate closed sets, instead of points, by disjoint open sets. A space where a point and a closed set can be separated is regular, and one where two disjoint closed sets can be separated is normal. The lecturer said they always mix up which name goes with which and chose the order above, which agrees with standard usage. As an example that loses these properties, the slotted disc topology on the plane is introduced. It splits the plane by a line, uses open discs on each side, and builds open sets so that the line behaves like the discrete topology. The lecture skipped the details, so this post does not go into them either.
Subspaces and products
At the end of the lecture two common ways to build new topologies are briefly introduced. One is the subspace topology. For a line in the plane , the intersections of with the open sets of the plane are the open sets of , and then inherits the usual topology of the line. The other is the product topology. For a set with topology and a set with topology , the product set naturally gets a topology .
In the next post we cover the countability axioms and continuous functions.
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