Теорема Тихонова - Tychonoffs theorem

По поводу других теорем, названных в честь Тихонова, см. Теорема Тихонова (значения).

В математика, Теорема Тихонова заявляет, что продукт любой коллекции компактный топологические пространства компактен относительно топология продукта. Теорема названа в честь Андрей Николаевич Тихонов (чья фамилия иногда транскрибируется Тихонов), впервые доказавший это в 1930 г. для властей закрытого единичный интервал и в 1935 г. сформулировал полную теорему вместе с замечанием, что ее доказательство было таким же, как и для частного случая. Самое раннее известное опубликованное доказательство содержится в статье 1937 г. Эдуард Чех.

Некоторые тексты идентифицируют теорему Тихонова как единственный наиболее важный результат в общей топологии [например, Уиллард, стр. 120]; другие позволяют разделить эту честь с Лемма Урысона.

Топологические определения

Теорема решающим образом зависит от точных определений компактность и из топология продукта; Фактически, статья Тихонова 1935 года впервые определяет топологию произведения. И наоборот, отчасти его важность состоит в том, чтобы дать уверенность в том, что эти конкретные определения являются наиболее полезными (то есть наиболее корректными).

Действительно, определение компактности Гейне – Бореля, согласно которому каждое покрытие пространства открытыми множествами допускает конечное подпокрытие, появилось сравнительно недавно. Более популярным в XIX и начале XX веков был критерий Больцано – Вейерштрасса, согласно которому каждая последовательность допускает сходящуюся подпоследовательность, теперь называемую последовательная компактность. Эти условия эквивалентны для метризуемые пространства, но ни одно из них не подразумевает другого в классе всех топологических пространств.

Практически тривиально доказать, что произведение двух последовательно компактных пространств последовательно компактно: один переходит к подпоследовательности для первой компоненты, а затем к подпоследовательности для второй компоненты. Лишь немного более сложный аргумент «диагонализации» устанавливает секвенциальную компактность счетного произведения секвенциально компактных пространств. Однако продукт континуум многие копии замкнутого единичного интервала (с его обычной топологией) не могут быть последовательно компактными относительно топологии произведения, даже если они компактны по теореме Тихонова (например, см. Виланский 1970, п. 134).

Это критический сбой: если Икс это полностью обычный Пространство Хаусдорфа, существует естественное вложение из Икс в [0,1]C(Икс,[0,1]), куда C(Икс, [0,1]) - множество непрерывных отображений из Икс до [0,1]. Компактность [0,1]C(Икс,[0,1]) таким образом показывает, что всякое вполне регулярное хаусдорфово пространство вкладывается в компактное хаусдорфово пространство (или может быть «компактифицировано»). Эта конструкция является Каменно-чешская компактификация. Наоборот, все подпространства компактных хаусдорфовых пространств являются полностью регулярными хаусдорфовыми, так что это характеризует полностью регулярные хаусдорфовы пространства как те, которые могут быть компактифицированы. Такие пространства теперь называются Тихоновские пространства.

Приложения

Теорема Тихонова использовалась для доказательства многих других математических теорем. К ним относятся теоремы о компактности некоторых пространств, таких как Теорема Банаха – Алаоглу о слабой компактности единичного шара двойное пространство из нормированное векторное пространство, а Теорема Арцела – Асколи характеризующие последовательности функций, в которых каждая подпоследовательность имеет равномерно сходящийся подпоследовательность. Они также включают утверждения, менее явно относящиеся к компактности, такие как Теорема Де Брейна – Эрдеша. заявляя, что каждый минимальный k-хроматический график конечно, а Теорема Кертиса – Хедлунда – Линдона. обеспечение топологической характеристики клеточные автоматы.

Как показывает опыт, любая конструкция, которая принимает на вход довольно общий объект (часто алгебраической или тополого-алгебраической природы) и выводит компактное пространство, вероятно, будет использовать Тихонова: например, Пространство Гельфанда максимальных идеалов коммутативной C * алгебра, то Каменное пространство максимальных идеалов Булева алгебра, а Спектр Берковича коммутативного Кольцо банаха.

Доказательства теоремы Тихонова

1) В доказательстве Тихонова 1930 г. использовалась концепция точка полного накопления.

2) Теорема является быстрым следствием Теорема александра о суббазе.

Более современные доказательства мотивированы следующими соображениями: подход к компактности через сходимость подпоследовательностей приводит к простому и прозрачному доказательству в случае счетных наборов индексов. Однако подход к сходимости в топологическом пространстве с использованием последовательностей является достаточным, когда пространство удовлетворяет первой аксиоме счетности (как это делают метризуемые пространства), но, как правило, не иначе. Однако произведение несчетного числа метризуемых пространств, каждое из которых имеет по крайней мере две точки, не может быть первым счетным. Поэтому естественно надеяться, что подходящее понятие сходимости в произвольных пространствах приведет к критерию компактности, обобщающему секвенциальную компактность в метризуемых пространствах, который будет так же легко применен для вывода компактности произведений. Оказалось, что это так.

3) Теория сходимости по фильтрам, в силу Анри Картан и разработан Бурбаки в 1937 г. приводит к следующему критерию: допуская лемма об ультрафильтрации, пространство компактно тогда и только тогда, когда каждое ультрафильтр на пространстве сходится. Имея это в руках, доказательство становится простым: (фильтр, порожденный) изображение ультрафильтра в пространстве произведения под любой картой проекции является ультрафильтром в факторном пространстве, который, следовательно, сходится, по крайней мере, к одному Икся. Затем показано, что исходный ультрафильтр сходится к Икс = (Икся). В своем учебнике Мункрес дает переработку доказательства Картана – Бурбаки, которая не использует явно какой-либо теоретико-фильтровальный язык или предварительные сведения.

4) Аналогично Мур – Смит теория сходимости через сети, дополненная понятием Келли о универсальная сеть, приводит к критерию компактности пространства тогда и только тогда, когда каждая универсальная сеть на пространстве сходится. Этот критерий приводит к доказательству (Kelley, 1950) теоремы Тихонова, которое дословно идентично доказательству Картана / Бурбаки с использованием фильтров, за исключением неоднократной замены «универсальной сетью» на «базу ультрафильтров».

5) Доказательство с использованием сетей, но не универсальных, было дано в 1992 году Полом Черновым.

Теорема Тихонова и аксиома выбора

Все приведенные выше доказательства используют аксиома выбора (AC) каким-то образом. Например, в третьем доказательстве используется, что каждый фильтр содержится в ультрафильтре (т. Е. В максимальном фильтре), и это видно, вызывая Лемма Цорна. Лемма Цорна также используется для доказательства теоремы Келли о том, что каждая сеть имеет универсальную подсеть. На самом деле такое использование AC существенно: в 1950 году Келли доказал, что из теоремы Тихонова следует аксиома выбора в ZF. Обратите внимание, что одна формулировка AC состоит в том, что декартово произведение семейства непустых множеств непусто; но поскольку пустое множество, безусловно, компактно, доказательство не может проводиться таким прямым путем. Таким образом, теорема Тихонова объединяет несколько других основных теорем (например, о том, что каждое векторное пространство имеет основу) в том смысле, что эквивалент в AC.

С другой стороны, утверждение, что каждый фильтр содержится в ультрафильтре, не подразумевает AC. В самом деле, нетрудно увидеть, что это эквивалентно Теорема о булевом простом идеале (BPI), хорошо известная промежуточная точка между аксиомами теории множеств Цермело-Френкеля (ZF) и теорией ZF, дополненной аксиомой выбора (ZFC). Первый взгляд на второе доказательство Тихнова может предположить, что в доказательстве используется не более (BPI), что противоречит вышесказанному. Однако пространства, в которых каждый сходящийся фильтр имеет единственный предел, являются в точности пространствами Хаусдорфа. В общем, мы должны выбрать для каждого элемента набора индексов элемент из непустого набора пределов проектируемой базы ультрафильтра, и, конечно, при этом используется AC. Однако он также показывает, что компактность произведения компактных хаусдорфовых пространств может быть доказана с помощью (BPI), и на самом деле верно и обратное. Изучение сила теоремы Тихонова для различных ограниченных классов пространств является активной областью в теоретико-множественная топология.

Аналог теоремы Тихонова в бессмысленная топология не требует какой-либо аксиомы выбора.

Доказательство аксиомы выбора из теоремы Тихонова

Чтобы доказать, что из теоремы Тихонова в ее общей версии следует аксиома выбора, мы устанавливаем, что каждая бесконечная декартово произведение непустых множеств непусто. Самая сложная часть доказательства - это правильная топология. Правильная топология, как оказывается, - это конфинитная топология с небольшой изюминкой. Оказывается, каждое множество с данной топологией автоматически становится компактным пространством. Как только мы узнаем этот факт, можно применить теорему Тихонова; затем мы используем свойство конечного пересечения (FIP) определение компактности. Само доказательство (в связи с Дж. Л. Келли ) следует:

Позволять {Ая} индексированное семейство непустых множеств, для я начиная с я (куда я - произвольный набор индексации). Мы хотим показать, что декартово произведение этих множеств непусто. Теперь для каждого я, брать Икся быть Ая с индексом я сам прикреплен (переименование индексов с помощью несвязный союз при необходимости можно считать, что я не является членом Ая, так что просто возьми Икся = Ая ∪ {я}).

Теперь определите декартово произведение

вместе с естественными проекционными картами πя которые принимают члена Икс к его я-й семестр.

Мы даем каждому Икся топология, открытые множества которой являются конфинитными подмножествами Икся, плюс пустое множество (конфинитная топология) и синглтон {я}.Это делает Икся компактный, и по теореме Тихонова Икс также компактна (в топологии произведения). Карты проекции непрерывны; все Ая'закрыты, являясь дополнением одиночка open set {я} в Икся. Итак, прообразы πя−1(Ая) - замкнутые подмножества Икс. Отметим, что

и доказать, что эти прообразы непусты и имеют FIP. Позволять я1, ..., яN - конечный набор индексов в я. Тогда конечный товар Ая1 × ... × АяNне пусто (здесь только конечное число вариантов, поэтому AC не требуется); он просто состоит из N- пары. Позволять а = (а1, ..., аN) быть таким N-пара. Мы продлеваем а ко всему набору индексов: взять а к функции ж определяется ж(j) = аk если j = яk, и ж(j) = j иначе. На этом этапе решающее значение имеет добавление дополнительной точки к каждому пространству., поскольку это позволяет нам определить ж для всего за пределами N-набор точным образом без выбора (мы уже можем выбирать по построению, j из Иксj ). πяk(ж) = аk очевидно является элементом каждого Аяk так что ж есть в каждом инверсе; таким образом у нас есть

Согласно определению компактности FIP, все пересечение над я должно быть непустым, и доказательство завершено.

Смотрите также

Рекомендации

  • Чернов, Пол Р. (1992), "Простое доказательство теоремы Тихонова с помощью сетей", Американский математический ежемесячный журнал, 99 (10): 932–934, Дои:10.2307/2324485, JSTOR  2324485.
  • Джонстон, Питер Т. (1982), Каменные пространства, Кембриджские исследования по высшей математике, 3, Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета, ISBN  0-521-23893-5.
  • Джонстон, Питер Т. (1981), "Теорема Тихонова без аксиомы выбора", Fundamenta Mathematicae, 113: 21–35, Дои:10.4064 / FM-113-1-21-35.
  • Келли, Джон Л. (1950), "Сходимость в топологии", Математический журнал герцога, 17 (3): 277–283, Дои:10.1215 / S0012-7094-50-01726-1.
  • Келли, Джон Л. (1950), «Теорема произведения Тихонова влечет аксиому выбора», Fundamenta Mathematicae, 37: 75–76, Дои:10.4064 / fm-37-1-75-76.
  • Мункрес, Джеймс Р. (2000). Топология (Второе изд.). Река Верхний Сэдл, Нью-Джерси: Prentice Hall, Inc. ISBN  978-0-13-181629-9. OCLC  42683260.
  • Тихонов, Андрей Н. (1930), "Uber die topologische Erweiterung von Räumen", Mathematische Annalen (на немецком), 102 (1): 544–561, Дои:10.1007 / BF01782364.
  • Вилянский, А. (1970), Топология для анализа, Джинн и компания
  • Уиллард, Стивен (2004) [1970]. Общая топология. Дуврские книги по математике (Первое изд.). Минеола, Нью-Йорк.: Dover Publications. ISBN  978-0-486-43479-7. OCLC  115240.
  • Райт, Дэвид Г. (1994), "Теорема Тихонова". Proc. Амер. Математика. Soc., 120 (3): 985–987, Дои:10.1090 / с0002-9939-1994-1170549-2.

внешняя ссылка