Manifold #5. Compactness, Connectedness, and Topological Properties매니폴드 #5. 컴팩트함, 연결성, 위상적 성질

Manifold series, part 5: the topological properties that a homeomorphism preserves, compactness defined by covers and subcovers, connectedness defined by separation, path connectedness, and holes and simple connectednessManifold 시리즈 5편: 위상동형사상이 보존하는 위상적 성질, 덮개와 부분덮개로 정하는 컴팩트함, 끊어짐으로 정하는 연결성과 경로 연결성, 구멍과 단순 연결

Manifold series매니폴드 시리즈Part 5 of 1818편 중 5번째
  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 5강 Compactness, Connectedness, and Topological Properties에 해당합니다. 지난 편에서 위상동형사상homeomorphism까지 정리했습니다. 이번 편에서는 위상동형사상이 보존하는 성질 가운데 가장 중요한 컴팩트함과 연결성을 봅니다.

위상동형사상과 위상적 성질

위상동형사상은 토폴로지컬 스페이스 사이에서만 뜻이 있습니다. 두 공간 (X,TX)(X, \mathcal{T}_X)와 (Y,TY)(Y, \mathcal{T}_Y) 사이의 함수 f:X→Yf : X \to Y가 전단사이고, ff와 역함수 f−1f^{-1}가 모두 연속이면 ff를 위상동형사상이라고 부릅니다. 양쪽이 모두 연속이면 ff는 XX의 열린집합을 YY의 열린집합으로, f−1f^{-1}는 그 반대로 보내므로, 두 위상의 열린집합이 서로 일대일로 짝지어집니다. 위상 하나가 다른 위상으로 변형되어도 열린집합이 사라지거나 두 개가 하나로 뭉치지 않습니다.

두 공간이 위상동형인지는 이런 함수가 하나라도 있는지로 정해집니다. 후보 함수가 아무리 많아도 하나만 찾으면 됩니다. 이 정의에서 위상적 성질topological property이 나옵니다. 위상동형인 두 공간이 반드시 함께 갖는 성질을 위상적 성질이라고 부릅니다. 지난 편의 가산성과 분리 성질이 그런 예이고, 이번 편의 컴팩트함과 연결성도 그렇습니다. 쓰임새는 두 방향입니다. 위상동형사상을 하나 찾으면 한쪽 공간의 위상적 성질이 그대로 다른 쪽의 성질이 됩니다. 반대로 한쪽만 가진 성질을 찾으면, 예를 들어 XX는 제2가산인데 YY는 제2가산이 되지 못한다면, 아무리 찾아도 위상동형사상은 없다는 결론이 납니다. 두 공간이 위상동형이 아님을 보이는 보통 방법이 이것입니다.

도넛과 커피잔이 유명한 예입니다. 둘 다 구멍이 하나이고, 도넛의 모든 점을 커피잔의 점에 하나씩 대응시키며 열린집합끼리 맞물리게 변형할 수 있습니다. 위상에는 거리도 모양도 없어서 위상동형사상은 형태의 느슨한 변형일 뿐입니다. 정사각형을 평행사변형으로 옮기는 아핀 변환은 기하의 이야기이고, 위상은 측정을 모두 덜어 낸 기하라서 모든 기하 구조 밑에 깔려 있습니다.

Q. 도넛에서 커피잔으로 가는 연속함수만 있으면 둘은 위상동형이 되나요?
A. 역함수도 연속이어야 합니다. 연속함수만으로는 서로 다른 점이 한 점으로 뭉치거나 열린집합이 사라지는 일이 생기고, 그러면 돌아올 수 없습니다. 전단사이면서 양쪽 방향이 모두 연속이어야 위상동형사상입니다.

덮개와 부분덮개

컴팩트함을 정의하려면 덮개cover가 필요합니다. 덮개는 이름 그대로의 뜻입니다. 토폴로지컬 스페이스 XX의 부분집합 AA에 대해, 열린집합들의 모음 {Ui}\{ U_i \}의 합집합이 AA를 포함하면 이 모음을 AA의 열린 덮개open cover라고 부릅니다.

A⊂⋃iUi,Ui∈TXA \subset \bigcup_i U_i, \qquad U_i \in \mathcal{T}_X

열린 덮개의 일부만 골라도 여전히 AA를 덮으면 그것을 부분덮개subcover라고 부릅니다. 유한 개로 이루어진 부분덮개는 유한 부분덮개입니다. 이제 컴팩트함을 이렇게 정합니다. AA의 모든 열린 덮개가 유한 부분덮개를 가지면 AA는 컴팩트합니다. 덮개를 아무리 거대하게 만들어도 그중 유한 개로 충분하다는 조건이고, 무한한 것을 유한한 것처럼 다루게 해 줍니다. 따라서 컴팩트하지 않음을 보이는 데는 덮개 하나만 있으면 됩니다. 유한 부분덮개가 없는 열린 덮개를 하나라도 만들면 그 집합은 컴팩트하지 않습니다.

열린 직사각형은 컴팩트하지 않다

보통 위상을 가진 평면 R2\R^2에서 경계를 포함하지 않는 직사각형 XX를 봅니다. XX 자신이 열린집합이므로 한 장으로도 덮이고, 겹치는 직사각형 두 장, 세 장, nn장으로도 덮입니다. 덮개 안의 집합이 XX 바깥 점을 담아도 상관없고, XX가 부분집합으로 들어가기만 하면 됩니다.

그런데 무한 개를 쓰는 덮개를 이렇게 만들 수 있습니다. 첫 직사각형으로 XX의 절반을 덮고, 다음 직사각형은 조금 겹치게 놓아 남은 것의 절반을 덮고, 이를 끝없이 되풀이합니다. 경계에 한없이 다가가는 이 직사각형들의 합집합은 XX 전체를 덮습니다. 경계 가까이의 어느 점이든 언젠가 어느 직사각형에 걸리기 때문이고, 경계 자체는 XX에 없으므로 덮을 필요가 없습니다. 하지만 이 덮개에서 유한 개만 고르면 가장 경계에 가까운 직사각형 바깥쪽에 덮이지 못한 점이 반드시 남습니다. 이 덮개에는 유한 부분덮개가 없으니, 열린 직사각형은 컴팩트하지 않습니다.

모든 무한 덮개가 이렇게 되는 것은 아닙니다. 평면 전체를 열린 직사각형으로 끝없이 타일처럼 덮은 덮개도 XX를 덮지만, 이것은 XX와 만나는 몇 장만 골라도 이미 덮입니다. 이 덮개는 컴팩트하지 않음의 증거가 되지 못합니다.

닫힌 직사각형은 컴팩트하다

경계를 포함한 닫힌 직사각형으로 바꾸면 위 방법이 막힙니다. 안쪽 점들은 그대로 덮이지만, 경계의 점은 반씩 줄여 가는 직사각형들에 영영 걸리지 않습니다. 경계의 점을 덮으려면 그 점을 품은 열린집합이 덮개에 있어야 하고, 열린집합은 경계에 얹히지 않고 그 점의 안쪽으로 얇은 띠를 품습니다. 그 띠는 어느 순간 위의 직사각형들과 겹치므로, 그때부터는 유한 개로 끝납니다. 경계를 가졌는지 여부가 평면의 보통 위상에서는 컴팩트함을 가르는 전부입니다. (이 설명은 어림짐작이고, 엄밀한 증명은 Rn\R^n에서 닫히고 유계인 집합은 컴팩트하다는 하이네-보렐 정리가 맡습니다. 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

아래 장난감으로 같은 일을 구간에서 해 볼 수 있습니다. 열린 구간 (0,1)(0, 1)은 덮개에서 몇 개를 고르든 0 가까이가 남고, 닫힌 구간 [0,1][0, 1]은 0을 품은 열린집합 WW가 끝을 막아 유한 개로 덮입니다.

Q. 열린 직사각형은 평면 안에서 유한한 크기인데 왜 컴팩트하지 않나요?
A. 컴팩트함은 덮개로 정해지는 성질이라 눈에 보이는 크기와는 상관이 없습니다. 경계에 한없이 다가가는 덮개가 존재하면 유한 개로는 끝나지 않습니다.

컴팩트함에도 약한 형태가 여럿 있습니다. 어느 쪽을 쓰든 위상동형사상은 그것을 그대로 보존합니다.

연결성

연결성connectedness의 정의도 여럿이지만 두 가지를 봅니다. 먼저 끊어짐을 정합니다. XX가 두 열린집합 GG, HH의 합집합이면서 둘이 서로 겹치지 않으면 XX는 끊어져 있습니다.

X=G∪H,G∩H=∅,G,H∈TXX = G \cup H, \qquad G \cap H = \emptyset, \qquad G, H \in \mathcal{T}_X

이런 분할이 하나라도 있으면 끊어진 공간이고, 어떻게 해도 없으면 연결되어 있습니다. (두 집합은 비어 있지 않아야 합니다. G=∅G = \emptyset, H=XH = X는 어느 공간에서나 가능하므로 빼야 합니다. 이 조건은 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다.)

연결성이 위상적 성질인 까닭을 따라가 봅니다. 위상동형사상 f:X→Yf : X \to Y가 있고 XX가 GG, HH로 끊어졌다고 합시다. ff가 열린집합을 열린집합으로 보내므로 f(G)f(G), f(H)f(H)는 YY의 열린집합이고, 전단사이므로 합집합은 YY이며 둘은 겹치지 않습니다. 그러면 YY도 끊어집니다. 여기서 ff가 실제로 어떤 함수인지는 필요 없고 위상동형사상이 존재한다는 사실만 쓰입니다. 연속이지만 위상동형사상은 되지 못하는 다른 함수 gg를 따로 연구해도 두 공간이 위상동형이라는 사실은 변하지 않습니다.

경로 연결성

연결성과 가깝지만 다른 개념이 경로 연결성path connectedness입니다. 두 점 xx, yy를 선으로 잇는 일을 일반 집합에서도 말하려면, 구간 [0,1][0, 1]에서 XX로 가는 연속함수를 씁니다.

f:[0,1]→X,f(0)=x,f(1)=yf : [0, 1] \to X, \qquad f(0) = x, \qquad f(1) = y

이런 ff가 있으면 두 점은 경로로 이어져 있습니다. ff는 위상동형사상일 필요가 없고, 연속이라는 성질이 선처럼 이어진 모양을 보장합니다. 공간의 임의의 두 점이 이렇게 이어지면 그 공간은 경로 연결입니다. 끊어진 집합에서는 두 조각을 잇는 연속함수를 만들 수 없으므로 경로 연결이 될 수 없습니다.

경로 연결이면 연결입니다. 하지만 거꾸로는 성립하지 않습니다. 전설적인 반례가 sin⁡(1/x)\sin(1/x)입니다. xx가 0으로 갈 때 1/x1/x는 한없이 커지고 사인값이 끝없이 진동하는 그래프에 0 위의 선분을 붙인 집합입니다.

{ (x,sin⁡(1/x))∣0<x≤1 }∪({0}×[−1,1])\{\, (x, \sin(1/x)) \mid 0 < x \le 1 \,\} \cup \big( \{0\} \times [-1, 1] \big)

이 집합은 연결되어 있지만 경로 연결이 아닙니다. 진동하는 그래프 쪽에서 yy축 선분으로 건너가는 연속함수가 없기 때문입니다. (강의에서는 그래프가 0을 가로지르기 때문에 연결된다고 짧게 말합니다. 위의 집합 식으로 정확히 쓴 것은 이해를 위해 보탠 것입니다.)

Q. 경로 연결이면 왜 연결인가요?
A. 경로 연결인데 GG, HH로 끊어진다면, GG의 점과 HH의 점을 잇는 경로 ff를 잡을 수 있습니다. 그러면 f−1(G)f^{-1}(G)와 f−1(H)f^{-1}(H)가 구간 [0,1][0, 1]을 둘로 가르는데, 구간은 끊어지지 않으므로 모순입니다. (이 설명은 이해를 위해 보탠 것이고, 강의에서 따로 다룬 내용은 아닙니다. 강의는 증명할 수 있다고만 말합니다.)

구멍과 단순 연결

경로 연결인 두 공간 사이에도 차이가 있습니다. XX는 구멍이 없고, YY는 가운데가 빠져 있다고 합시다. 둘 다 임의의 두 점을 경로로 이을 수 있습니다. 그런데 YY에서는 구멍을 옆으로 지나는 경로, 한 바퀴 돌아 지나는 경로, 열 바퀴 돌아 지나는 경로가 서로 근본적으로 다릅니다. 연속적으로 줄이고 늘려도 한 경로를 다른 경로로 바꿀 수 없기 때문입니다.

경로를 연속적으로 변형하는 함수를 연구하는 분야가 호모토피homotopy입니다. XX에서는 같은 두 점을 잇는 어떤 경로도 다른 어떤 경로로 변형할 수 있고, 이렇게 모든 경로가 서로 변형되는 경로 연결 공간을 단순 연결simply connected이라고 부릅니다. 느슨하게 말하면 구멍이 없다는 뜻입니다. 단순 연결도 위상적 성질입니다. 호몰로지는 또 다른 이야기이고, 여기서는 다루지 않습니다.

정리

위상동형사상을 단 하나라도 찾으면 두 공간은 위상동형이고, 분리 성질, 가산성, 컴팩트함, 연결성 같은 위상적 성질이 모두 같습니다. 위상동형사상이 중요한 까닭은 열린집합을 양방향으로 대응시켜 위상을 변형할 뿐이어서 거리나 모양 같은 측정이 전혀 개입하지 않기 때문입니다. 다음 편에서는 이 도구들로 드디어 위상 매니폴드topological manifold를 정의합니다.

These are my notes on XylyXylyX’s What is a Manifold? lectures. This post covers lesson 5 of the playlist, Compactness, Connectedness, and Topological Properties. In the previous post we reached homeomorphisms. This time we look at the most important properties a homeomorphism preserves, compactness and connectedness.

Homeomorphisms and topological properties

A homeomorphism only makes sense between topological spaces. For two spaces (X,TX)(X, \mathcal{T}_X) and (Y,TY)(Y, \mathcal{T}_Y), a function f:X→Yf : X \to Y is called a homeomorphism if it is a bijection and both ff and its inverse f−1f^{-1} are continuous. Since both are continuous, ff sends open sets of XX to open sets of YY and f−1f^{-1} does the reverse, so the open sets of the two topologies are paired one to one. One topology is deformed into the other, and no open set disappears and no two merge into one.

Whether two spaces are homeomorphic depends on whether at least one such function exists. There may be a huge number of candidates, and finding one is enough. From this definition comes the topological property: a property that two homeomorphic spaces must share. Countability and the separation properties from the last post are examples, and so are compactness and connectedness in this one. It is used in two directions. If we find one homeomorphism, every topological property of one space carries over to the other. In the opposite direction, if we find a property that only one space has, for example XX is second countable and YY is not, then no matter how long we search there is no homeomorphism. This is the usual way to show that two spaces are not homeomorphic.

A donut and a coffee cup are the famous example. Each has one hole, and we can match every point of the donut with a point of the cup and deform one into the other so that open sets match up. Topology has no distance and no shape, so a homeomorphism is just a loose deformation of form. Taking a square to a parallelogram by an affine transformation belongs to geometry. Topology is geometry stripped of all measurement, which is why it lies under every geometric structure.

Q. If there is a continuous function from the donut to the coffee cup, are they not homeomorphic already?
A. The inverse must be continuous too. With a continuous function alone, distinct points can collapse into one or open sets can vanish, and then we cannot come back. A homeomorphism has to be a bijection that is continuous in both directions.

Covers and subcovers

To define compactness we need a cover. A cover means what the name says. For a subset AA of a topological space XX, a collection of open sets {Ui}\{ U_i \} whose union contains AA is called an open cover of AA.

A⊂⋃iUi,Ui∈TXA \subset \bigcup_i U_i, \qquad U_i \in \mathcal{T}_X

If a part of the open cover still covers AA, that part is called a subcover. A subcover made of finitely many sets is a finite subcover. Now we define compactness this way. A set AA is compact if every open cover of AA has a finite subcover. However huge the cover, finitely many of its sets are enough, and this lets us treat something infinite as if it were finite. So to show a set is not compact, a single cover is enough. If we build even one open cover with no finite subcover, the set is not compact.

An open rectangle is not compact

In the plane R2\R^2 with the usual topology, take a rectangle XX without its boundary. XX is itself an open set, so one set covers it, and two overlapping rectangles cover it, as do three, or nn. A set in the cover may contain points outside XX. It only has to contain XX as a subset.

But we can also build a cover that uses infinitely many sets. Cover half of XX with a first rectangle, place the next one with a little overlap to cover half of what is left, and repeat forever. The union of these rectangles, which approach the boundary without end, covers all of XX. Any point near the boundary is eventually caught by some rectangle, and the boundary itself is not in XX, so it need not be covered. Yet if we choose only finitely many from this cover, some points outside the rectangle nearest to the boundary are always left uncovered. This cover has no finite subcover, so the open rectangle is not compact.

Not every infinite cover behaves like this. A cover that tiles the whole plane with open rectangles forever also covers XX, but just a few of those that meet XX already cover it. This cover is no evidence for non-compactness.

A closed rectangle is compact

Change to a closed rectangle that includes its boundary, and the method above is blocked. Interior points are still covered, but the boundary points are never caught by the rectangles that keep halving. To cover a boundary point, the cover must contain an open set around that point, and an open set does not sit on the boundary but holds a thin band on the inside of that point. The band overlaps the rectangles above at some stage, and from then on it ends with finitely many sets. Having the boundary or not is all that separates compactness in the usual topology of the plane. (This explanation is a rough sketch, and the rigorous proof is the Heine-Borel theorem, which says a closed and bounded set in Rn\R^n is compact. It was not covered in the lecture.)

With the toy below you can do the same thing on an interval. For the open interval (0,1)(0, 1), whichever finitely many sets you choose from the cover, the part near 0 is left. For the closed interval [0,1][0, 1], the open set WW containing 0 guards the end, and finitely many sets cover it.

Q. The open rectangle has a finite size in the plane, so why is it not compact?
A. Compactness is decided by covers, so it has nothing to do with the size we see. If a cover exists that approaches the boundary without end, finitely many sets can never finish the job.

Compactness has several weaker forms as well. Whichever one we use, a homeomorphism preserves it as it is.

Connectedness

There are many definitions of connectedness, and we look at two. First we define being broken apart. If XX is the union of two open sets GG and HH that do not overlap, then XX is disconnected.

X=G∪H,G∩H=∅,G,H∈TXX = G \cup H, \qquad G \cap H = \emptyset, \qquad G, H \in \mathcal{T}_X

If even one such split exists, the space is disconnected, and if none exists in any way, it is connected. (The two sets must be nonempty. The split G=∅G = \emptyset, H=XH = X exists in every space, so it must be excluded. This condition was not covered in the lecture.)

Let us follow why connectedness is a topological property. Suppose there is a homeomorphism f:X→Yf : X \to Y and XX is broken into GG and HH. Since ff sends open sets to open sets, f(G)f(G) and f(H)f(H) are open sets in YY, and since it is a bijection their union is YY and they do not overlap. Then YY is disconnected too. What the function ff actually is does not matter here. Only the existence of a homeomorphism is used. Studying another function gg that is continuous but not a homeomorphism does not change the fact that the two spaces are homeomorphic.

Path connectedness

A concept close to connectedness but different is path connectedness. To speak of joining two points xx and yy with a line in a general set, we use a continuous function from the interval [0,1][0, 1] into XX.

f:[0,1]→X,f(0)=x,f(1)=yf : [0, 1] \to X, \qquad f(0) = x, \qquad f(1) = y

If such an ff exists, the two points are joined by a path. ff need not be a homeomorphism, and continuity guarantees the line-like shape. If any two points of a space can be joined this way, the space is path connected. A disconnected set cannot be path connected, since we cannot build a continuous function that joins its two pieces.

A path connected space is connected. The converse does not hold. The legendary counterexample is sin⁡(1/x)\sin(1/x). As xx goes to 0, 1/x1/x grows without bound and the sine oscillates forever. The set is this graph with a segment over 0 attached.

{ (x,sin⁡(1/x))∣0<x≤1 }∪({0}×[−1,1])\{\, (x, \sin(1/x)) \mid 0 < x \le 1 \,\} \cup \big( \{0\} \times [-1, 1] \big)

This set is connected but not path connected, because there is no continuous function that goes from the oscillating graph over to the segment on the yy axis. (The lecture says briefly that the graph is connected because it crosses 0. Writing the exact set as above was added for understanding.)

Q. Why is a path connected space connected?
A. Suppose a path connected space were split into GG and HH. We could take a path ff from a point of GG to a point of HH. Then f−1(G)f^{-1}(G) and f−1(H)f^{-1}(H) would split the interval [0,1][0, 1] in two, but the interval cannot be broken, which is a contradiction. (This explanation is added for understanding and was not covered in the lecture. The lecture only says it can be proved.)

Holes and simple connectedness

Two path connected spaces can still differ. Say XX has no hole and YY has its middle missing. In both, any two points can be joined by a path. But in YY, a path that passes beside the hole, a path that goes around once, and a path that goes around ten times are fundamentally different, because no continuous shrinking or stretching turns one into another.

The field that studies functions that deform paths continuously is homotopy. In XX, any path between two given points can be deformed into any other, and a path connected space in which all paths deform into each other this way is called simply connected. Loosely, it has no holes. Simple connectedness is also a topological property. Homology is a different story and we do not cover it here.

Summary

If we find even a single homeomorphism, the two spaces are homeomorphic, and all topological properties such as the separation properties, countability, compactness, and connectedness are the same. Homeomorphisms matter because they only deform a topology by matching open sets in both directions, so no measurement such as distance or shape takes part. In the next post we finally define a topological manifold with these tools.

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