Паракомпактное пространство - Paracompact space

В математика, а паракомпактное пространство это топологическое пространство в котором каждый открытая крышка имеет открытый уточнение то есть локально конечный. Эти пространства были введены Дьедонне (1944). Каждый компактное пространство паракомпактный. Каждый паракомпакт Пространство Хаусдорфа является нормальный, а хаусдорфово пространство паракомпактно тогда и только тогда, когда оно допускает разделы единства подчиняться любой открытой обложке. Иногда паракомпактные пространства определяют так, чтобы они всегда были хаусдорфовы.

Каждый закрыто подпространство паракомпактного пространства - паракомпактный. Хотя компактные подмножества хаусдорфовых пространств всегда замкнуты, это неверно для паракомпактных подмножеств. Пространство, каждое подпространство которого является паракомпактом, называется наследственно паракомпактный. Это эквивалентно требованию, чтобы каждый открыто подпространство паракомпактно.

Теорема Тихонова (в котором говорится, что товар любого набора компактных топологических пространств компактен) не обобщается на паракомпактные пространства в том смысле, что произведение паракомпактных пространств не обязательно должно быть паракомпактным. Однако продукт паракомпактного пространства и компактного пространства всегда паракомпактен.

Каждый метрическое пространство паракомпактный. Топологическое пространство - это метризуемый если и только если это паракомпакт и локально метризуемый Пространство Хаусдорфа.

Определение

А крышка из набор ${\displaystyle X}$ это собрание подмножества из ${\displaystyle X}$ чей союз содержит ${\displaystyle X}$. В символах, если ${\displaystyle U=\{U_{\alpha }:\alpha \in A\}}$ индексированное семейство подмножеств ${\displaystyle X}$, тогда ${\displaystyle U}$ это прикрытие ${\displaystyle X}$ если

${\displaystyle X\subseteq \bigcup _{\alpha \in A}U_{\alpha }.}$

Покрытие топологического пространства ${\displaystyle X}$ является открыто если все его члены открытые наборы. А уточнение покрытия пространства ${\displaystyle X}$ новая обложка того же места, так что каждый набор в новой обложке подмножество какого-то набора в старой обложке. В символах обложка ${\displaystyle V=\{V_{\beta }:\beta \in B\}}$ это доработка обложки ${\displaystyle U=\{U_{\alpha }:\alpha \in A\}}$ если и только если, для любого ${\displaystyle V_{\beta }}$ в ${\displaystyle V}$, есть некоторые ${\displaystyle U_{\alpha }}$ в ${\displaystyle U}$ такой, что ${\displaystyle V_{\beta }\subseteq U_{\alpha }}$.

Открытая крышка пространства ${\displaystyle X}$ является локально конечный если каждая точка пространства имеет район что пересекается только конечно много наборов в обложке. В символах ${\displaystyle U=\{U_{\alpha }:\alpha \in A\}}$ локально конечно тогда и только тогда, когда для любого ${\displaystyle x}$ в ${\displaystyle X}$, существует некоторая окрестность ${\displaystyle V(x)}$ из ${\displaystyle x}$ такой, что набор

${\displaystyle \left\{\alpha \in A:U_{\alpha }\cap V(x)\neq \varnothing \right\}}$

конечно. Топологическое пространство ${\displaystyle X}$ теперь говорят, что паракомпакт если каждое открытое покрытие имеет локально конечное открытое измельчение.

Примеры

• Каждый компактное пространство паракомпактный.
• Каждый обычный Пространство Линделёфа паракомпактный.^[1] В частности, каждый локально компактный Хаусдорф секундомер паракомпактный.
• В Линия Sorgenfrey паракомпактен, хотя он не является ни компактным, ни локально компактным, ни счетным, ни метризуемым.
• Каждый CW комплекс паракомпактный ^[2]
• (Теорема о А. Х. Стоун) Каждый метрическое пространство паракомпактный.^[3] Ранние доказательства были несколько сложными, но элементарное было найдено М. Э. Рудин.^[4] Существующие доказательства этого требуют аксиома выбора для неотделимого случая. Было показано, что ZF теории недостаточно, чтобы доказать это, даже после того, как аксиома зависимого выбора добавлен.^[5]

Вот некоторые примеры не паракомпактных пространств:

• Самый известный контрпример - длинная линия, который является непаракомпактным топологическое многообразие. (Длинная строка локально компактна, но не имеет второго счета.)
• Другой контрпример - товар из бесчисленно много копий бесконечный дискретное пространство. Любой бесконечный набор, несущий топология конкретной точки не паракомпактный; на самом деле это даже не метакомпакт.
• В Коллектор Прюфера - непаракомпактная поверхность.
• В теорема о волынке показывает, что есть 2^ℵ₁ классы изоморфизма непаракомпактных поверхностей.
• В Самолет Соргенфри не является паракомпактным, несмотря на то, что является продуктом двух паракомпактных пространств.

Характеристики

Паракомпактность слабо наследственна, т.е. каждое замкнутое подпространство паракомпактного пространства паракомпактно. Это можно расширить до F-сигма подпространства.

• А обычное пространство паракомпактно, если каждое открытое покрытие допускает локально конечное измельчение. (Здесь уточнение не обязательно должно быть открытым.) В частности, каждое регулярное Пространство Линделёфа паракомпактный.
• (Теорема Смирнова о метризации) Топологическое пространство метризуемо тогда и только тогда, когда оно паракомпактно, хаусдорфово и локально метризуемо.
• Теорема Майкла о выборе утверждает, что полунепрерывные снизу мультифункции из Икс в непустые замкнутые выпуклые подмножества банаховых пространств допускают непрерывную выборку тогда и только тогда, когда Икс паракомпактный.

Хотя продукт паракомпактных пространств не обязательно должен быть паракомпактным, верно следующее:

• Продукт паракомпактного пространства и компактное пространство паракомпактный.
• Продукт метакомпактное пространство а компактное пространство метакомпактно.

Оба эти результата можно доказать с помощью лемма о трубке которое используется в доказательстве того, что произведение конечно много компактные пространства компактны.

Паракомпактные хаусдорфовы пространства

Иногда требуется, чтобы паракомпактные пространства также были Хаусдорф для расширения их свойств.

• (Теорема о Жан Дьедонне) Всякое паракомпактное хаусдорфово пространство является нормальный.
• Всякое паракомпактное хаусдорфово пространство является сужающееся пространство, то есть каждое открытое покрытие паракомпактного хаусдорфового пространства имеет усадку: другое открытое покрытие, индексируемое тем же множеством, так что закрытие каждого набора в новом покрытии лежит внутри соответствующего набора в старом покрытии.
• О паракомпактных хаусдорфовых пространствах когомологии пучков и Когомологии Чеха равны.^[6]

Разделы единства

Самая главная особенность паракомпакта Хаусдорфовы пространства это они нормальный и признать разделы единства подчиняться любой открытой обложке. Это означает следующее: если Икс паракомпактное хаусдорфово пространство с заданным открытым покрытием, то существует набор непрерывный функции на Икс со значениями в единичный интервал [0, 1] такое, что:

• для каждой функции ж: Икс → р из коллекции есть открытый набор U с обложки так, чтобы поддерживать из ж содержится в U;
• за каждую точку Икс в Икс, есть район V из Икс такие, что все, кроме конечного числа функций в наборе, тождественно 0 в V а сумма ненулевых функций тождественно равна 1 в V.

Фактически, T₁ пространство хаусдорфово и паракомпактно тогда и только тогда, когда оно допускает разбиения единицы, подчиненные любому открытому покрытию (см. ниже ). Это свойство иногда используется для определения паракомпактных пространств (по крайней мере, в случае Хаусдорфа).

Разделы единства полезны тем, что часто позволяют распространить локальные конструкции на все пространство. Например, интеграл от дифференциальные формы на паракомпакте коллекторы сначала определяется локально (где многообразие выглядит как Евклидово пространство и интеграл хорошо известен), и это определение затем распространяется на все пространство через разбиение единицы.

Доказательство того, что паракомпактные хаусдорфовы пространства допускают разбиения единицы

Хаусдорфово пространство ${\displaystyle X\,}$ паракомпактно тогда и только тогда, когда каждое открытое покрытие допускает подчиненное разбиение единицы. В если направление простое. Теперь о только если направлении, мы делаем это в несколько этапов.

Лемма 1. Если ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$ является локально конечным открытым покрытием, то существуют открытые множества ${\displaystyle W_{U}\,}$ для каждого ${\displaystyle U\in {\mathcal {O}}\,}$, так что каждый ${\displaystyle {\bar {W_{U}}}\subseteq U\,}$ и ${\displaystyle \{W_{U}:U\in {\mathcal {O}}\}\,}$ является локально конечным измельчением.

Лемма 2. Если ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$ является локально конечным открытым покрытием, то существуют непрерывные функции ${\displaystyle f_{U}:X\to [0,1]\,}$ такой, что ${\displaystyle \operatorname {supp} ~f_{U}\subseteq U\,}$ и такой, что ${\displaystyle f:=\sum _{U\in {\mathcal {O}}}f_{U}\,}$ - непрерывная функция, всегда отличная от нуля и конечная.

Теорема: В паракомпактном хаусдорфовом пространстве ${\displaystyle X\,}$, если ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$ - открытая крышка, то существует подчиненное ей разбиение единства.

Доказательство (лемма 1):

Позволять ${\displaystyle {\mathcal {V}}\,}$ быть набором открытых множеств, встречающихся только с конечным числом множеств в ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$, и замыкание которого содержится в множестве в ${\displaystyle {\mathcal {O}}}$. В качестве упражнения можно проверить, что это дает открытое уточнение, поскольку паракомпактные хаусдорфовы пространства регулярны и поскольку ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$ локально конечно. Теперь замените ${\displaystyle {\mathcal {V}}\,}$ локально конечным открытым уточнением. Можно легко проверить, что каждый набор в этом усовершенствовании имеет то же свойство, что и исходная обложка.

Теперь определим ${\displaystyle W_{U}=\bigcup \{A\in {\mathcal {V}}:{\bar {A}}\subseteq U\}\,}$. Собственность ${\displaystyle {\mathcal {V}}\,}$ гарантирует, что каждый ${\displaystyle A\in {\mathcal {V}}}$ содержится в некоторых ${\displaystyle W_{U}}$. Следовательно ${\displaystyle \{W_{U}:U\in {\mathcal {O}}\}\,}$ открытая доработка ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$. Поскольку у нас есть ${\displaystyle W_{U}\subseteq U}$, это покрытие сразу локально конечно.

Теперь мы хотим показать, что каждый ${\displaystyle {\bar {W_{U}}}\subseteq U\,}$. Для каждого ${\displaystyle x\notin U}$, мы докажем, что ${\displaystyle x\notin {\bar {W_{U}}}}$. Поскольку мы выбрали ${\displaystyle {\mathcal {V}}}$ чтобы быть локально конечным, существует окрестность ${\displaystyle V[x]}$ из ${\displaystyle x}$ такое, что только конечное число множеств в ${\displaystyle {\mathcal {V}}}$ иметь непустое пересечение с ${\displaystyle V[x]}$, и мы отмечаем ${\displaystyle A_{1},...,A_{n},...\in {\mathcal {V}}}$ те, что в определении ${\displaystyle W_{U}}$. Следовательно, мы можем разложить ${\displaystyle W_{U}}$ в двух частях: ${\displaystyle A_{1},...,A_{n}\in {\mathcal {V}}}$ кто пересекает ${\displaystyle V[x]}$, и остальное ${\displaystyle A\in {\mathcal {V}}}$ кто этого не делает, что означает, что они содержатся в закрытом наборе ${\displaystyle C:=X\setminus V[x]}$. Теперь у нас есть ${\displaystyle {\bar {W_{U}}}\subseteq {\bar {A_{1}}}\cup ...\cup {\bar {A_{n}}}\cup C}$. С ${\displaystyle {\bar {A_{i}}}\subseteq U}$ и ${\displaystyle x\notin U}$, у нас есть ${\displaystyle x\notin {\bar {A_{i}}}}$ для каждого ${\displaystyle i}$. И с тех пор ${\displaystyle C}$ является дополнением к окрестности ${\displaystyle x}$, ${\displaystyle x}$ тоже не в ${\displaystyle C}$. Поэтому у нас есть ${\displaystyle x\notin {\bar {W_{U}}}}$.

${\displaystyle \blacksquare \,}$ (Лем 1)

Доказательство (лемма 2):

Применяя лемму 1, пусть ${\displaystyle f_{U}:X\to [0,1]\,}$ быть непрерывными отображениями с ${\displaystyle f_{U}\upharpoonright {\bar {W}}_{U}=1\,}$ и ${\displaystyle \operatorname {supp} ~f_{U}\subseteq U\,}$ (по лемме Урысона для непересекающихся замкнутых множеств в нормальных пространствах, которыми является паракомпактное хаусдорфово пространство). Обратите внимание, что под поддержкой функции мы здесь подразумеваем точки, не отображаемые в ноль (а не замыкание этого множества). Чтобы показать это ${\displaystyle f=\sum _{U\in {\mathcal {O}}}f_{U}\,}$ всегда конечен и отличен от нуля, возьмем ${\displaystyle x\in X\,}$, и разреши ${\displaystyle N\,}$ окрестности ${\displaystyle x\,}$ встреча только конечное число наборов в ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$; таким образом ${\displaystyle x\,}$ принадлежит только конечному числу множеств в ${\displaystyle {\mathcal {O}}\,}$; таким образом ${\displaystyle f_{U}(x)=0\,}$ для всех, кроме конечного множества ${\displaystyle U\,}$; более того ${\displaystyle x\in W_{U}\,}$ для некоторых ${\displaystyle U\,}$, таким образом ${\displaystyle f_{U}(x)=1\,}$; так ${\displaystyle f(x)\,}$ конечно и ${\displaystyle \geq 1\,}$. Чтобы установить преемственность, возьмите ${\displaystyle x,N\,}$ как прежде, и пусть ${\displaystyle S=\{U\in {\mathcal {O}}:N{\text{ meets }}U\}\,}$, что конечно; тогда ${\displaystyle f\upharpoonright N=\sum _{U\in S}f_{U}\upharpoonright N\,}$, которая является непрерывной функцией; отсюда прообраз под ${\displaystyle f\,}$ района ${\displaystyle f(x)\,}$ будет район ${\displaystyle x\,}$.

${\displaystyle \blacksquare \,}$ (Лем 2)

Доказательство (теорема):

Брать ${\displaystyle {\mathcal {O}}^{*}\,}$ локально конечное подпокрытие уточняющего покрытия: ${\displaystyle \{V{\text{ open }}:(\exists {U\in {\mathcal {O}}}){\bar {V}}\subseteq U\}\,}$. Применяя лемму 2, получаем непрерывные функции ${\displaystyle f_{W}:X\to [0,1]\,}$ с ${\displaystyle \operatorname {supp} ~f_{W}\subseteq W\,}$ (таким образом, обычная закрытая версия поддержки содержится в некоторых ${\displaystyle U\in {\mathcal {O}}\,}$, для каждого ${\displaystyle W\in {\mathcal {O}}^{*}\,}$; для которого их сумма составляет непрерывный функция, которая всегда конечна, не равна нулю (следовательно, ${\displaystyle 1/f\,}$ непрерывно положительно, конечнозначно). Так что заменяя каждый ${\displaystyle f_{W}\,}$ к ${\displaystyle f_{W}/f\,}$, у нас теперь - все остается прежним - что их сумма везде ${\displaystyle 1\,}$. Наконец для ${\displaystyle x\in X\,}$, позволяя ${\displaystyle N\,}$ быть рядом с ${\displaystyle x\,}$ встреча только конечное число наборов в ${\displaystyle {\mathcal {O}}^{*}\,}$, у нас есть ${\displaystyle f_{W}\upharpoonright N=0\,}$ для всех, кроме конечного множества ${\displaystyle W\in {\mathcal {O}}^{*}\,}$ поскольку каждый ${\displaystyle \operatorname {supp} ~f_{W}\subseteq W\,}$. Таким образом, у нас есть разделение единства, подчиненное исходной открытой крышке.

${\displaystyle \blacksquare \,}$ (Thm)

Отношения с компактностью

Есть сходство между определениями компактность и паракомпактность: для паракомпактности «субпокрытие» заменяется «открытым уточнением», а «конечное» - словом «локально конечным». Оба эти изменения значительны: если мы возьмем определение паракомпакта и заменим «открытое уточнение» обратно на «подпокрытие» или «локально конечное» обратно на «конечное», мы получим компактные пространства в обоих случаях.

Паракомпактность имеет мало общего с понятием компактности, а скорее связана с разбиением объектов топологического пространства на управляемые части.

Сравнение свойств с компактностью

Паракомпактность похожа на компактность в следующих отношениях:

• Каждое замкнутое подмножество паракомпактного пространства паракомпактно.
• Каждый паракомпакт Пространство Хаусдорфа является нормальный.

Он отличается в следующих отношениях:

• Паракомпактное подмножество хаусдорфова пространства замкнуть не нужно. Фактически, для метрических пространств все подмножества паракомпактны.
• Продукт паракомпактных пространств не обязательно должен быть паракомпактным. В квадрат реальной линии р в топологии нижнего предела является классическим примером этого.

Вариации

Есть несколько вариантов понятия паракомпактности. Чтобы определить их, нам сначала нужно расширить список терминов выше:

Топологическое пространство - это:

• метакомпакт если каждое открытое покрытие имеет открытое поточечное конечное измельчение.
• ортокомпакт если каждое открытое покрытие имеет такое открытое уточнение, что пересечение всех открытых множеств в любой точке этого уточнения открыто.
• полностью нормально если у каждой открытой крышки есть открытая звездная утонченность, и полностью T₄ если это полностью нормально и Т₁ (видеть аксиомы разделения ).

Наречие "счетно«может быть добавлено к любому из прилагательных« паракомпакт »,« метакомпакт »и« полностью нормальный », чтобы требование применялось только к счетный открытые крышки.

Каждое паракомпактное пространство метакомпактно, а каждое метакомпактное пространство ортокомпактно.

Определение соответствующих терминов для вариантов

• Учитывая прикрытие и точку, звезда точки в покрытии - это объединение всех множеств в покрытии, содержащих эту точку. В символах звезда Икс в U = {U_α : α в А} является

${\displaystyle \mathbf {U} ^{*}(x):=\bigcup _{U_{\alpha }\ni x}U_{\alpha }.}$

Обозначения для звезды не стандартизированы в литературе, и это только одна возможность.

• А звездная утонченность покрытия пространства Икс представляет собой новую обложку того же пространства, так что для любой точки в пространстве звезда точки в новой обложке является подмножеством некоторого набора в старой обложке. В символах V это звездное усовершенствование U = {U_α : α в А} тогда и только тогда, когда для любого Икс в Икс, существует U_α в U, так что V^*(Икс) содержится в U_α.
• Покрытие пространства Икс является точечно конечный если каждая точка пространства принадлежит только конечному числу множеств покрытия. В символах U поточечно конечно тогда и только тогда, когда для любого Икс в Икс, набор ${\displaystyle \left\{\alpha \in A:x\in U_{\alpha }\right\}}$ конечно.

Как следует из названия, полностью нормальное пространство нормальный. Каждый полностью T₄ пространство паракомпактное. На самом деле для хаусдорфовых пространств паракомпактность и полная нормальность эквивалентны. Таким образом, полностью T₄ пространство - это то же самое, что и паракомпактное хаусдорфово пространство.

Без свойства Хаусдорфа паракомпактные пространства не обязательно полностью нормальны. Примером может служить любое нерегулярное компактное пространство.

Историческая справка: вполне нормальные пространства были определены раньше паракомпактов. Доказательство того, что все метризуемые пространства вполне нормальны, несложно. Когда А.Х. Стоун доказал, что для хаусдорфовых пространств полностью нормальные и паракомпактные эквивалентны, он неявно доказал, что все метризуемые пространства паракомпактны. Потом М.Е. Рудин дал прямое доказательство последнего факта.

Смотрите также

• а-паракомпактное пространство
• Паранормальное пространство

Примечания

1. Майкл, Эрнест (1953). «Заметка о паракомпактных пространствах» (PDF). Труды Американского математического общества. 4 (5): 831–838. Дои:10.1090 / S0002-9939-1953-0056905-8. ISSN  0002-9939.
2. Хэтчер, Аллен, Векторные расслоения и K-теория, предварительная версия доступна на домашняя страница автора
3. Стоун, А. Х. Паракомпактность и продуктовые пространства. Бык. Амер. Математика. Soc. 54 (1948), 977–982
4. Рудин, Мэри Эллен. Новое доказательство паракомпактности метрических пространств. Труды Американского математического общества, Vol. 20, No. 2 (февраль 1969 г.), стр. 603.
5. К. Гуд, И. Дж. Три и У. С. Уотсон. О теореме Стоуна и аксиоме выбора. Труды Американского математического общества, Vol. 126, № 4. (апрель 1998 г.), стр. 1211–1218.
6. Брылински, Жан-Люк (2007), Пространства петель, характеристические классы и геометрическое квантование, Успехи в математике, 107, Springer, стр. 32, ISBN  9780817647308.

Рекомендации

• Дьедонне, Жан (1944), "Une généralisation des espaces compacts", Journal de Mathématiques Pures et Appliquées, Neuvième Série, 23: 65–76, ISSN  0021-7824, МИСТЕР  0013297
• Линн Артур Стин и Дж. Артур Сибах-младший, Контрпримеры в топологии (2-е изд), Springer Verlag, 1978, ISBN  3-540-90312-7. С. 23.
• Уиллард, Стивен (1970). Общая топология. Ридинг, Массачусетс: Эддисон-Уэсли. ISBN  0-486-43479-6.
• Мэтью, Ахил. «Топология / Паракомпактность».

внешняя ссылка

• «Паракомпактное пространство», Энциклопедия математики, EMS Press, 2001 [1994]