Manifold #4. Countability and Continuity매니폴드 #4. 가산성과 연속성: 제1·제2가산, 연속 함수, 위상동형

Manifold series, part 4: the first and second countability axioms, continuous functions defined by preimages, and homeomorphismsManifold 시리즈 4편: 제1가산·제2가산 공리, 역상으로 정의하는 연속 함수, 위상동형

Manifold series매니폴드 시리즈Part 4 of 1818편 중 4번째
  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

XylyXylyX의 What is a Manifold? 강의를 정리한 노트입니다. 이 글은 재생목록의 4강 Countability and Continuity에 해당합니다. 지난 편에서 위상이 두 점을 얼마나 잘 갈라 놓는지 따졌다면, 이번 편은 열린집합을 셀 수 있는지를 묻는 가산성countability 공리 두 가지와, 위상만으로 정의하는 연속 함수, 그리고 연속 함수 중에서 가장 좋은 위상동형을 다룹니다. 매니폴드가 되려면 제2가산이고 하우스도르프여야 한다는 조건이 어디서 오는지 이 편에서 마무리됩니다.

점 곁에 쌓이는 열린집합: 제1가산

공간 XX의 점 pp는 여러 열린집합에 들어 있습니다. 그 열린집합 안에는 pp를 여전히 담는 더 작은 열린집합이 있을 수 있고, 같은 질문을 되풀이하면 pp를 에워싸는 겹겹이 포개진 열린집합들이 나옵니다. 열린 공으로 말하면 반지름을 줄여 가는 공들입니다. 이 사슬이 세 개에서 끝나는 위상도 있고, 평면의 보통 위상처럼 끝없이 이어지는 위상도 있습니다. 이산 위상이라면 {p}\{p\} 자체가 열린집합이므로 하나로 끝납니다.

문제는 사슬이 무한한지보다 셀 수 있는지입니다. 평면에서 반지름은 실수 전체에서 고를 수 있으므로 pp를 에워싸는 공은 셀 수 없이 많습니다. 하지만 유리수 반지름만 써도 충분합니다. 어떤 열린 이웃을 주어도 그 안에 들어가는 유리수 반지름의 공이 하나는 있기 때문입니다.

이렇게 모든 점 pp에 대해, 셀 수 있는 열린 이웃의 모임이 있어서 pp의 어떤 열린 이웃도 그중 하나를 포함하면 공간을 제1가산first countable이라고 합니다. 이 모임을 점 pp에서의 국소 기저local base라 부릅니다. 제1가산은 각 점에서 따지는 성질입니다. 강의는 이 모임이 서로 포개져 있다고 말하는데, 셀 수 있는 모임이 있으면 포개지게 고쳐 쓸 수 있으므로 같은 조건입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

열린집합 전체를 만드는 셀 수 있는 부품: 제2가산

두 번째 공리는 위상 전체에 걸린 조건입니다. 열린집합은 모두 기저 원소들의 합집합이고, 기저를 셀 수 있게 고를 수 있으면 공간을 제2가산second countable이라고 합니다. 평면에서 임의의 모양의 열린집합을 만드는 데 중심과 반지름이 모두 유리수인 열린 공만으로 충분하고, 이런 공은 셀 수 있습니다. 그래서 보통 위상의 평면은 제2가산입니다.

제2가산이면 제1가산입니다. 기저에서 점 pp를 담는 원소만 모으면 pp의 셀 수 있는 국소 기저가 되기 때문입니다. 거꾸로는 성립하지 않습니다. 강의 자막에는 제1가산이면 제2가산일 수 없다는 뜻으로 읽히는 문장이 있는데, 자막이 어긋난 것으로 보이며 뜻은 제1가산이어도 제2가산이 되지 못할 수 있다는 것입니다. 곧 이어서 보는 하한 위상이 그 반례입니다.

매니폴드가 모두 제2가산이어야 하는 까닭은, 이 조건이 좌표 조각을 이어 붙일 때 공간이 말썽 없이 행동하도록 받쳐 주는 여러 성질을 보장하기 때문입니다. 예컨대 매니폴드 위에서 함수를 이어 붙이는 데 쓰는 1의 분할partition of unity도 이 조건 위에서 얻습니다. (이 예는 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

예: 어느 위상이 몇 번째 가산인가

지난 편의 위상들을 하나씩 따져 봅니다.

위상제1가산제2가산
보통예예
중첩 구간예예
닫힌 구간예예
여유한아니요아니요
하한예아니요

보통 위상. 끝점이 유리수인 열린 구간이 셀 수 있는 기저입니다.

중첩 구간 위상. 열린집합이 (0,1−1n)(0, 1-\tfrac1n) 꼴뿐이어서 열린집합 수 자체가 셀 수 있습니다. 두 공리 모두 만족합니다. 두 점을 가르지 못하는 병적인 공간이어도 가산성은 따로 따지는 성질입니다.

닫힌 구간 위상. 0을 품는 열린 구간 (b,a)(b, a)와 [−1,a)[-1, a), (b,1](b, 1]에서 끝값을 유리수로만 잡아도 모든 열린집합을 만들 수 있습니다. 두 공리 모두 만족합니다.

여유한 위상. 점 pp를 담는 열린집합은 pp 말고는 유한 개의 점만 빼고 모두 담고 있어서, 포개 가며 줄여도 {p}\{p\}로 모이지 않습니다. 강의는 이를 놓고 포개진 열린집합 사슬이 끝내 만들어지지 않는다고 설명합니다. 제1가산이 아닙니다. 제2가산이면 제1가산이므로 제2가산도 아닙니다. 공간이 이렇게 말썽을 부리는 것이 매니폴드에서 피하려는 상황입니다. 구간 [0,1][0, 1]처럼 점이 셀 수 없이 많을 때의 이야기이고, 점이 셀 수 있게 많다면 사정이 다릅니다. 셀 수 없는 경우의 증명은 다음과 같습니다. 점 pp를 담는 열린집합이 셀 수 있게 U1,U2,…U_1, U_2, \dots로 주어졌다고 합시다. 각 UnU_n이 뺀 점은 유한 개이므로 모두 합쳐도 셀 수 있습니다. 그러므로 pp가 아니면서 모든 UnU_n에 들어 있는 점 qq가 있고, pp를 담고 qq를 뺀 열린집합은 어떤 UnU_n도 포함하지 않습니다. (이 증명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

하한 위상. 점 xx를 담는 열린집합으로 [x,x+1n)[x, x+\tfrac1n)을 잡으면 셀 수 있는 국소 기저이므로 제1가산입니다. 이 위상은 보통 위상보다 열린집합이 많은데도 제2가산이 아닙니다. 셀 수 있는 기저가 있다고 해 봅니다. 모든 실수 xx에 대해 [x,x+1)[x, x+1)은 열린집합이므로 기저의 원소 BxB_x가 있어서 x∈Bx⊆[x,x+1)x \in B_x \subseteq [x, x+1)입니다. 그러면 BxB_x의 가장 왼쪽 끝이 xx이고 서로 다른 xx는 다른 BxB_x를 줍니다. 그러니 기저가 실수만큼 많아져 셀 수 없게 됩니다. 강의는 기저의 끝점들 사이의 빈틈에 놓인 점을 왼쪽 끝으로 삼는 구간을 만들 수 없다는 그림으로 같은 이야기를 합니다. (위 증명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

하한 위상이 보통 위상보다 더 세밀하다finer는 말은, 보통 위상의 열린 구간이 모두 하한 위상의 열린집합이고 [a,b)[a, b)처럼 보통 위상에 없는 열린집합이 더 있다는 뜻입니다. 거꾸로 보통 위상은 하한 위상보다 더 성깁니다coarser. (a,b)(a, b)는 [a+1n,b)[a+\tfrac1n, b)들의 합집합이라 하한 위상의 열린집합이라는 점이 확인의 열쇠입니다. 위상이 더 세밀하다고 가산성이 좋아지지는 않습니다.

Q. 제1가산과 제2가산은 어떻게 다른가요?
A. 제1가산은 점마다 그 점 곁의 열린집합을 셀 수 있게 고를 수 있다는 성질이고, 제2가산은 위상 전체를 만들 기저를 셀 수 있게 고를 수 있다는 성질입니다. 제2가산이면 제1가산이지만 하한 위상처럼 거꾸로는 성립하지 않습니다.

위상만으로 정의하는 연속

미적분의 연속은 거리를 써서 ϵ\epsilon과 δ\delta로 말했습니다. 거리 없이 위상만 있어도 연속을 정의할 수 있습니다. 두 위상 공간 XX, YY와 함수 f:X→Yf : X \to Y가 있습니다. 위상 없이는 ff가 점을 점으로 짝짓는 목록일 뿐이고 연속이라는 말에 뜻이 없습니다.

함수 ff가 연속continuous이라는 것은, YY의 모든 열린집합 VV에 대해 역상preimage f−1(V)={x∈X:f(x)∈V}f^{-1}(V) = \{ x \in X : f(x) \in V \}가 XX의 열린집합이라는 뜻입니다. 이 정의에서는 열린집합의 이동 방향이 YY에서 XX로 거꾸로입니다. 역상은 ff가 일대일이 아니어도 늘 정의되므로, 역함수가 없어도 쓸 수 있습니다. 강의는 이 점을 따로 짚습니다.

같은 말을 이웃으로 하면 엡실론-델타의 느낌이 살아납니다. 모든 점 xx와 f(x)f(x)의 모든 열린 이웃 VV에 대해, xx의 열린 이웃 UU가 있어서 f(U)⊆Vf(U) \subseteq V입니다. VV를 측정 오차로 읽으면, 오차 범위를 아무리 좁혀도 xx 곁을 충분히 좁게 잡으면 측정값이 그 오차 안에 들어온다는 뜻입니다. 두 정의는 동치입니다.

연속인지 확인하는 일은 이렇게 역상이 열려 있는지 하나씩 보는 일이 됩니다. 몇 가지 빠른 사실이 있습니다. (이 사실들은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

  • 상수 함수는 어느 위상 사이에서도 연속입니다. 어떤 열린집합의 역상이든 공집합이거나 전체이기 때문입니다.
  • 정의역이 이산 위상이면 어떤 함수도 연속입니다. 모든 부분집합이 열려 있기 때문입니다.
  • 같은 집합 위의 두 위상 사이의 항등 함수 id:(X,T1)→(X,T2)\mathrm{id} : (X, \mathcal{T}_1) \to (X, \mathcal{T}_2)는 T2⊆T1\mathcal{T}_2 \subseteq \mathcal{T}_1일 때에 한해 연속입니다. 도착 쪽 열린집합의 역상은 그대로 그 집합이기 때문입니다.

같은 선 사이의 항등 함수

마지막 사실로 지난 편의 선들 사이의 f(x)=xf(x) = x를 모두 따질 수 있습니다. 보통 위상의 선에서 다른 선으로 가는 방향과 그 반대 방향을 표로 모읍니다.

위상보통에서 그 선으로그 선에서 보통으로
중첩 구간연속연속이 아님
닫힌 구간연속연속이 아님
여유한연속연속이 아님
하한연속이 아님연속

보통에서 중첩 구간, 닫힌 구간, 여유한 위상으로 갈 때는 도착 쪽의 열린집합이 모두 보통 위상의 열린집합이어서 연속입니다. 하한 위상으로 갈 때는 [a,b)[a, b)가 보통 위상에서 열려 있지 않아 연속이 깨집니다. 반대 방향은 정반대입니다. 작은 열린 구간은 중첩, 닫힌 구간, 여유한 위상에서 열린집합이 되지 못하므로 그 선들에서 보통 선으로 가는 함수는 연속이 되지 못합니다. 하한 위상에서 보통 위상으로 가는 쪽은 보통의 열린집합이 모두 하한 위상의 열린집합이므로 연속입니다. 강의는 보통 선에서 닫힌 구간 선으로 가는 함수도 연속이 되지 못한다고 말하지만, 두 선이 같은 점 집합 [−1,1][-1, 1] 위에 있고 보통 위상이 그 위의 부분공간 위상이라면 연속입니다. 닫힌 구간 위상의 열린집합 [−1,a)[-1, a)가 부분공간 위상에서 이미 열려 있기 때문입니다. 강의의 보통 선이 끝점을 뺀 구간이어서 점 집합이 달랐을 수도 있습니다.

이산 위상의 선과 보통의 선 사이도 같은 이치입니다. 이산에서 보통으로 가는 항등 함수는 연속이고, 보통에서 이산으로 가는 항등 함수는 연속이 아닙니다. 강의는 보통의 선에서 이산 위상으로 가는 연속 함수는 하나도 없다고 말하지만, 상수 함수는 연속이므로 이 말은 항등 함수에 대해서만 맞습니다.

위상동형

함수 ff가 일대일 대응이면 역함수 f−1f^{-1}도 함수입니다. ff도 연속이고 f−1f^{-1}도 연속이면 ff를 위상동형homeomorphism이라 하고, 두 공간은 위상적으로 같다고 봅니다. 위상동형은 열린집합을 서로 하나씩 대응시킵니다. 그래서 ff가 열린집합을 열린집합으로 보내는지도 함께 확인합니다.

위상동형이 중요한 까닭은 위상으로 정의되는 성질을 보존하기 때문입니다. 분리 성질(T0T_0, T1T_1, T2T_2), 콤팩트성compactness, 연결성connectedness이 그렇습니다. 강의는 이 성질들이 보존된다는 사실만 알려 주고 증명하지 않으며, 뒤의 둘은 5편에서 다룹니다. 일대일 대응이고 연속이기만 한 함수는 위상동형이 되기에 부족합니다. 역함수의 연속이 따로 필요합니다.

직접 확인해 보기

점 셋의 집합 XX, YY에 위상을 하나씩 고르고, ff가 각 점을 어디로 보낼지 눌러 정해 보세요. YY의 열린집합마다 역상이 XX에서 열려 있는지 줄마다 보이고, 아래 결과 문장이 연속인지 위상동형인지 알려 줍니다. 항등 함수에서 시작해 XX를 이산으로, YY를 사슬로 두면 연속이지만 위상동형은 아닌 경우가 바로 나옵니다.

Q. 연속이고 일대일 대응이면 항상 위상동형인가요?
A. 그렇지 않습니다. 이산 위상에서 자명한 위상으로 가는 항등 함수는 연속이고 일대일 대응이지만, 역함수는 연속이 아닙니다. 장난감에서 XX를 이산, YY를 자명으로 두고 항등 함수를 눌러 보면 연속이라는 결과와 위상동형이 되지 못한다는 결과가 함께 나옵니다.

매니폴드에 필요한 조건

이 편의 끝에서 강의는 매니폴드의 위상에는 이런 이상한 위상이 쓰이지 않고 보통 위상과 비슷하다고 말합니다. 그래서 일반 상대성이론 같은 책이 매니폴드를 말하며 제2가산 하우스도르프 공간을 가정한다고 적을 때 이 조건들이 가리키는 바가 이제 분명합니다. 좌표를 잡고 미분을 계산하려면 이런 조건이 필요하기 때문입니다. 분리 공리와 가산성이 서로 어떻게 이어지는지에는 반례가 많아서, 강의는 위상수학의 반례 모음집이 이 주제의 가장 좋은 책이라고 소개합니다.

다음 편부터는 매니폴드 자체의 이야기가 시작됩니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 4 of the playlist, Countability and Continuity. The previous post asked how well a topology keeps two points apart. This post covers two countability axioms, which ask whether open sets can be counted, then continuous functions defined by topology alone, and the best kind of continuous function, the homeomorphism. It also finishes explaining where the condition that a manifold be second countable and Hausdorff comes from.

Open sets piling up around a point: first countable

A point pp of a space XX lies in many open sets. Inside such an open set there may be a smaller open set that still contains pp, and repeating the question gives nested open sets that wrap around pp. For open balls these are balls with shrinking radius. In some topologies this chain stops after three sets, and in others, such as the usual topology of the plane, it goes on without end. In the discrete topology, {p}\{p\} itself is open, so the chain ends at one.

The question is not whether the chain is infinite but whether it is countable. In the plane the radius can be chosen from all the real numbers, so there are uncountably many balls around pp. But using only rational radii is enough, because for any open neighborhood given, some ball of rational radius lies inside it.

A space is first countable if for every point pp there is a countable collection of open neighborhoods such that every open neighborhood of pp contains one of them. This collection is called a local base at pp. First countability is a property checked at each point. The lecture says this collection is nested, but whenever a countable collection exists it can be rewritten as a nested one, so the condition is the same. (This explanation is added to help understanding and was not covered in the lecture.)

Countable building blocks for all open sets: second countable

The second axiom concerns the whole topology, not a point. Every open set is a union of base elements, and if the base can be chosen to be countable, the space is second countable. In the plane, open balls with rational center and rational radius suffice to build an open set of any shape, and there are only countably many such balls. So the plane with its usual topology is second countable.

Second countable implies first countable. Collect the base elements that contain a point pp, and they form a countable local base at pp. The converse fails. At this point the lecture seems to say that first countable definitely implies not second countable, but the transcript is garbled, and the meaning is that a first countable space may fail to be second countable. The lower limit topology just below is the counterexample.

A manifold must be second countable because this condition guarantees several properties that keep the space well behaved when coordinate patches are glued together. For example, the partitions of unity used to patch functions together on a manifold are obtained on top of this condition. (This example is added to help understanding and was not covered in the lecture.)

Examples: which topology is countable in which way

We check the topologies from the previous post one by one.

TopologyFirst countableSecond countable
Usualyesyes
Nested intervalyesyes
Closed intervalyesyes
Cofinitenono
Lower limityesno

The usual topology. Open intervals with rational endpoints form a countable base.

The nested interval topology. The open sets are only the sets of the form (0,1−1n)(0, 1-\tfrac1n), so even the number of open sets is countable. Both axioms hold. Countability is checked on its own, even for a pathological space that fails to separate two points.

The closed interval topology. Among the open intervals (b,a)(b, a) containing 0 and the sets [−1,a)[-1, a), (b,1](b, 1], using only rational end values is enough to build every open set. Both axioms hold.

The cofinite topology. An open set containing a point pp contains all points except finitely many, so shrinking such sets in a nested way never closes in on {p}\{p\}. The lecture explains it as a nested chain of open sets that can never be built. It is not first countable. Since second countable implies first countable, it is not second countable either. This kind of misbehaving space is what we want to avoid with manifolds. This is for the case of uncountably many points, as in the interval [0,1][0, 1], and the story changes if the points are countable. The proof for the uncountable case is as follows. Suppose open sets U1,U2,…U_1, U_2, \dots containing pp are given as a countable list. Each UnU_n omits finitely many points, so all of them together omit only countably many. Hence there is a point qq other than pp that lies in every UnU_n, and the open set containing pp and omitting qq contains none of the UnU_n. (This proof is added to help understanding and was not covered in the lecture.)

The lower limit topology. Taking the open sets [x,x+1n)[x, x+\tfrac1n) around a point xx gives a countable local base, so it is first countable. It has more open sets than the usual topology, yet it is not second countable. Suppose a countable base exists. For every real number xx, the set [x,x+1)[x, x+1) is open, so some base element BxB_x satisfies x∈Bx⊆[x,x+1)x \in B_x \subseteq [x, x+1). Then the left end of BxB_x is xx, and distinct xx give distinct BxB_x. So the base would be as large as the real numbers and uncountable. The lecture tells the same story with a picture: a point in a gap between the end values of the base cannot be made the left end of an interval. (The proof above is added to help understanding and was not covered in the lecture.)

Saying the lower limit topology is finer than the usual topology means that every open interval of the usual topology is open in the lower limit topology, and there are more open sets, such as [a,b)[a, b), that the usual topology lacks. Conversely the usual topology is coarser. The key to checking this is that (a,b)(a, b) is the union of the sets [a+1n,b)[a+\tfrac1n, b), so it is open in the lower limit topology. A finer topology does not make countability better.

Q. How do first countable and second countable differ?
A. First countable means that at each point we can choose the open sets around the point countably, and second countable means we can choose a countable base that builds the whole topology. Second countable implies first countable, but the converse fails, as the lower limit topology shows.

Continuity defined by topology alone

In calculus, continuity was stated with ϵ\epsilon and δ\delta, using distance. With no distance and only a topology, we can still define continuity. We have two topological spaces XX, YY and a function f:X→Yf : X \to Y. Without topologies, ff is just a list pairing points with points, and the word continuous has no meaning.

A function ff is continuous when, for every open set VV of YY, the preimage f−1(V)={x∈X:f(x)∈V}f^{-1}(V) = \{ x \in X : f(x) \in V \} is an open set of XX. In this definition, open sets travel backward, from YY to XX. A preimage is always defined even when ff is not one-to-one, so it works without an inverse function. The lecture points this out separately.

Saying the same thing with neighborhoods brings back the feel of epsilon-delta. For every point xx and every open neighborhood VV of f(x)f(x), there is an open neighborhood UU of xx with f(U)⊆Vf(U) \subseteq V. If we read VV as a measurement error, it says that however narrow the error range, a narrow enough neighborhood of xx keeps the measured value within it. The two definitions are equivalent.

Checking continuity thus becomes checking one by one whether preimages are open. A few quick facts follow. (These facts are added to help understanding and were not covered in the lecture.)

  • A constant function is continuous between any topologies, because the preimage of any open set is either empty or everything.
  • If the domain has the discrete topology, every function is continuous, because every subset is open.
  • The identity function id:(X,T1)→(X,T2)\mathrm{id} : (X, \mathcal{T}_1) \to (X, \mathcal{T}_2) between two topologies on the same set is continuous exactly when T2⊆T1\mathcal{T}_2 \subseteq \mathcal{T}_1, because the preimage of an open set of the target is that very set.

Identity functions between the same line

The last fact lets us settle f(x)=xf(x) = x between all the lines of the previous post. The table gathers the directions from the usual line to each other line and back.

TopologyFrom usual to this lineFrom this line to usual
Nested intervalcontinuousnot continuous
Closed intervalcontinuousnot continuous
Cofinitecontinuousnot continuous
Lower limitnot continuouscontinuous

Going from the usual line to the nested interval, closed interval, and cofinite topologies, every open set of the target is already open in the usual topology, so the map is continuous. Going to the lower limit topology, [a,b)[a, b) is not open in the usual topology, so continuity fails. The reverse directions are the opposite. A small open interval is not open in the nested, closed interval, or cofinite topology, so the maps from those lines back to the usual line are not continuous, while from the lower limit topology to the usual one the map is continuous, because every usual open set is open in the lower limit topology. The lecture says the map from the usual line to the closed interval line is not continuous either, but if both lines sit on the same point set [−1,1][-1, 1] and the usual topology is the subspace topology there, that map is continuous, because the open sets [−1,a)[-1, a) of the closed interval topology are already open in the subspace topology. It is possible that the lecture’s usual line was an interval without endpoints, so the point sets differed.

The same reasoning applies between the discrete line and the usual line. The identity from discrete to usual is continuous, and the identity from usual to discrete is not. The lecture says no continuous function goes from the usual line to the discrete topology, but constant functions are continuous, so that statement holds only for the identity function.

Homeomorphisms

If a function ff is a bijection, its inverse f−1f^{-1} is also a function. If ff is continuous and f−1f^{-1} is continuous, ff is called a homeomorphism, and the two spaces are regarded as topologically the same. A homeomorphism matches open sets one to one. So we check at the same time that ff sends open sets to open sets.

A homeomorphism matters because it preserves properties defined by topology. The separation properties (T0T_0, T1T_1, T2T_2), compactness, and connectedness are such properties. The lecture only states that they are preserved and does not prove it, and the last two are covered in part 5. A function that is merely a continuous bijection falls short of being a homeomorphism. Continuity of the inverse is a separate requirement.

Try it by hand

Pick a topology on each of two three-point sets XX and YY, and press to decide where ff sends each point. Each open set of YY gets a line showing whether its preimage is open in XX, and the result above tells you whether ff is continuous or a homeomorphism. Starting from the identity function with XX discrete and YY the chain topology gives a function that is continuous but not a homeomorphism.

Q. Is a continuous bijection always a homeomorphism?
A. It is not. The identity from the discrete topology to the trivial topology is continuous and a bijection, but its inverse is not continuous. In the toy, set XX to discrete and YY to trivial, press the identity function, and the results say it is continuous and also not a homeomorphism.

The conditions manifolds need

At the end of the lecture, the lecturer says the topology of a manifold is not one of these odd topologies but is close to the usual topology. So when books on general relativity and the like say they assume a second countable Hausdorff space for manifolds, it is now clear what these conditions point to. We need such conditions to set up coordinates and compute derivatives. The links between the separation axioms and countability have many counterexamples, and the lecture recommends the book of counterexamples in topology as the best book on the subject.

From the next post on, the story turns to manifolds themselves.

Comments댓글