Topologické prostory

Definice topologie

Definice. Nechť \(X\) je daná množina. Topologií na množině \(X\) rozumíme systém \(\tau\) podmnožin množiny \(X\), který splňuje následující tři axiomy:
  • (TP1) \(\emptyset \in \tau\), \(X \in \tau\).
  • (TP2) Jestliže \(A, B \in \tau\), pak \(A \cap B \in \tau\).
  • (TP3) Jestliže \(\mathcal{U} \subset \tau\), pak \(\bigcup_{U \in \mathcal{U}} U \in \tau\).
System \(\tau\) nazýváme topologií na množině \(X\). Prvky topologie budeme nazývat otevřenými množinami topologického prostoru \(X\). Dvojici \((X, \tau)\) nazýváme topologickým prostorem. Bude-li z kontextu zřejmé, kterou topologii na množině \(X\) máme na mysli, budeme místo dvojice \((X, \tau)\) psát jenom \(X\). V tomto případě bude symbol \(\tau(X)\) znamenat topologii na množině \(X\).
Cvičení. Nechť \(X\) je množina. Ukažte, že systém všech podmnožin množiny \(X\), \(\tau = \text{exp}(X)\) je topologií na množině \(X\). Tuto topologií budeme nazývat diskrétní topologií na množině \(X\).
Cvičení. Nechť \(X=\{0,1\}\) a \(\tau=\{\emptyset, X, \{0\}\}\). Ukažte, že \(\tau\) je topologií na množině \(X\). Tuto topologii budeme nazývat Sierpińského topologií a dvojici \((X,\tau)\) nazývat Sierpińského prostorem.
Cvičení. Nechť \(X\) je množina a \(\tau_f\) je systém všech podmnožin \(U\) množiny \(X\), pro které platí \(X\setminus U\) je konečná množina. Ukažte, že \(\tau_f\) je topologií na množině \(X\). Tuto topologii budeme nazývat topologií konečných komplementů na množině \(X\).
Cvičení. Nechť \(X\) je topoogický prostor a nechť \(Y\subset X\). Ukažte, že pak systém \(\tau_Y^X = \{U\cap Y: U\in\tau(X)\}\) je topologií na množině \(Y\). Tuto topologii nazýváme topologií podprostoru na množině \(Y\) indukovanou topologií na množině \(X\) (nebo zděděnou z topologie na \(X\)).
Cvičení. Nechť \(X = \mathbb{R}\). Nyní položme \(\mathcal{N}_R = \{\emptyset\} \cup \{U \subset \mathbb{R}: \forall x \in U\ \exists \varepsilon_x > 0 \text{ tak, že } (x-\varepsilon_x, x+\varepsilon_x) \subset U\}\). Ukažte, že \(\mathcal{N}_R\) je topologií na množině \(\mathbb{R}\). Tuto topologii nazýváme standardní topologií na množině \(\mathbb{R}\).
Cvičení. Ukažte, že systém podmnoužin množiny \(\mathbb{R}\): \[ \{U\in\text{exp}(\mathbb{R}): U = \emptyset \text{ nebo } \exists a \in\mathbb{R}\text{ tak, že } U = (-\infty, a)\} \] je topologií na množině \(\mathbb{R}\).

Nyní zopakujme definici metrického prostoru. neboť metrický prostor lze též chápat jako topologický prostor.

Definice. Nechť \(X\) je množina a \(d:X\times X\to\mathbb{R}\) je zobrazení, které každé dvojici prvků \(x,y\in X\) přiřazuje reálné číslo \(d(x,y)\) tak, že pro každé \(x,y,z\in X\) platí:
  • (M1) \(d(x,y)\geq 0\), \(d(x,y)=0\) právě tehdy, když \(x=y\).
  • (M2) \(d(x,y)=d(y,x)\).
  • (M3) \(d(x,z)\leq d(x,y)+d(y,z)\).
Pak dvojici \((X,d)\) nazýváme metrickým prostorem a funkci \(d\) nazýváme metrikou na množině \(X\). Pokud v definici metrického prostoru nahradíme vlastnost (M1) slabší podmínkou:
  • (M1') \(d(x,y)\geq 0\),
pak dvojici \((X,d)\) nazýváme pseudometrickým prostorem a funkci \(d\) nazýváme pseudometrikou na množině \(X\).
Cvičení. Předpokládejme, že \((X,d)\) je metrický prostor. Ukažte, že systém \(\tau_d\) všech podmnožin množiny \(X\), které jsou sjednocením otevřených koulí v metrickém prostoru \((X,d)\), je topologií na množině \(X\). Připomeňme, že pod otevřenou koulí v metrickém prostoru \((X,d)\) rozumíme množinu \(B(x,r)=\{y\in X: d(x,y)< r\}\), kde \(x\in X\) a \(r>0\). Bod \(x\in X\) nazýváme středem koule \(B(x,r)\) a číslo \(r>0\) poloměrem koule \(B(x,r)\). Topologii \(\tau_d\) nazýváme topologií indukovanou metrikou \(d\). Bude závěr tohoto cvičení platit i v případě, že \((X,d)\) je pseudometrický prostor?
Definice. Nechť \(X\) je množina a \(\tau\) je topologie na množině \(X\). Množina \(U\subset X\) je okolím bodu \(x\in X\), jestliže existuje otevřená množina \(V\in\tau\), pro kterou platí \(x\in V\subset U\).
Cvičení. Nechť \(X\) je topologickým prostorem. Ukažte, že množina \(V\subset X\) je v \(X\) otevřená, právě tehdy když pro každý bod \(x\in V\) existuje okolí \(U_x\) bodu \(x\), pro které platí \(U_x\subset V\).
Definice (báze topologie). Nechť \((X,\tau)\) je topologický prostor. Systém \(\mathcal{B}\subset\tau(X)\) nazveme bází topologie topologie \(\tau(X)\), jestliže pro každou otevřenou množinu \(U\in\tau(X)\) existuje množina \(\mathcal{B}_U\subset\mathcal{B}\) tak, že \(U=\bigcup\mathcal{B}_U\).
Cvičení. Uvažujme topologický prostor \((\mathbb{R}, \mathcal{N}_R)\). Ukažte, že systém všech otevřených intervalů \((a,b)\subset\mathbb{R}\) je bází topologie \(\mathcal{N}_R\).
Cvičení. Nechť \(X\) je topologický prostor a \(\mathcal{B}\) je báze topologie \(\tau(X)\). Ukažte, že systém \(\mathcal{B}\) splňuje následující podmínky:
  • (B1) \(\bigcup\mathcal{B} = X\).
  • (B2) Pro každé dvě množiny \(U,V\in\mathcal{B}\) a každý bod \(x\in U\cap V\) existuje množina \(W\in\mathcal{B}\) tak, že \(x\in W\subset U\cap V\).
Nyní, nechť \(X\) je množina bez topologie. Ukažte, že pro každý systém množin \(\mathcal{B}\) splňující podmínky (B1) a (B2) existuje právě jedna topologie \(\tau\) na množině \(X\), pro kterou je systém \(\mathcal{B}\) bází topologie \(\tau\). Tuto topologii nazýváme topologií generovanou bází \(\mathcal{B}\).
Cvičení. Ukažte, že systém všech otevřených intervalů \(\{(a,b)\in\text{exp}(\mathbb{R}): a< b\}\) je bází topologie \(\mathcal{N}_R\).
Cvčení (rozkladová topologie na množině). Uvažujme neprázdnou množinu \(X\) a její rozklad \(P \subset \text{exp}(X)\). Potom ukažte, že systém podmnožin \(P \cup \{\emptyset\}\) je bází topologie na množině \(X\). Tuto topologii nazveme rozkladovou topologií na množině \(X\) indukovanou rozkladem \(P\).
Definice (subbáze topologie). Nechť \((X,\tau)\) je topologický prostor. Systém \(\mathcal{S}\subset\tau(X)\) nazveme subbází topologie topologie \(\tau(X)\), jestliže systém všech konečných průniků prvků množiny \(\mathcal{S}\) je bází topologie \(\tau(X)\).
Cvičení. Ukažte, že pro každou subbázi topologického prostoru \((X,\tau)\) platí \(\bigcup\mathcal{S} = X\). Nyní nechť \(X\) je množina bez topologie a \(\mathcal{S}\) je systém podmnožin množiny \(X\), pro který platí \(\bigcup\mathcal{S} = X\). Ukažte, že pak na množině \(X\) existuje právě jedna topologie \(\tau\), pro kterou je systém \(\mathcal{S}\) subbází topologie \(\tau\).
Definice. Nechť \(X\) je topologický prostor a nechť \(x\in X.\) Pak neprázdný systém \(\mathcal{L}\subset\tau(X)\) nazveme lokální bází v bodě \(x\), jestliže
  • (a) \(x\in\bigcap\mathcal{L}\).
  • (b) Pro každou otevřenou množinu \(U\in\tau(X)\) pro kterou je \(x\in U\) existuje množina \(V\in\mathcal{L}\) tak, že \(V\subset U\).
Cvičení. Předpokládejme, že \((X,\tau)\) je topologický prostor a nechť pro každé \(x\in X\) je dána fixovaná lokální báze \(\mathcal{B}_x\) v bodě \(x\). Ukažte, že systém lokálních bází \(\mathcal{B}_x\) splňuje následující podmínky:
  • (LB1) \(\mathcal{B}_x\neq \emptyset\) a \(\bigcap\mathcal{B}_x\ni x\) pro každé \(x\in X\).
  • (LB2) Jestliže \(x\in X\) a \(U,V\in\mathcal{B}_x\), pak existuje \(W\in\mathcal{B}_x\) tak, že \(W\subset U\cap V\).
  • (LB3) Jestliže \(x\in U\in\mathcal{B}_y\), poto existuje \(V\in\mathcal{B}_x\) tak, že \(V\subset U\).
Nyní předpokládejme, že \(X\) je množina bez topologie a pro každé \(x\in X\) nechť \(\mathcal{B}_x\) je daný systém podmnožin množiny \(X\) takový, že systém \(\{\mathcal{B}_x: x\in X\}\) splňuje podmínky (LB1)-(LB3). Ukažte, že pak na množině \(X\) existuje právě jedna topologie \(\tau\), taková, že pro každé \(x\in X\) je systém \(\mathcal{B}_x\) lokální bází topologie \(\tau\) v bodě \(x\).
Definice. Nechť \((X,\tau)\) je topologický prostor a nechť \(F \subset X\). Řekneme, že množina \(F\) je uzavřená, jestliže její doplněk \(X\setminus F\) je otevřená množina.
Cvičení. Předpokládejme, že \((X,\tau)\) je topologický prostor. Dokažte, že potom platí následující:
  • (F1) \(\emptyset, X\) jsou uzavřené množiny.
  • (F2) Jestliže \(F_1, F_2\) jsou uzavřené množiny, pak \(F_1\cup F_2\) je uzavřená množina.
  • (F3) Jestliže \(\mathcal{F}\) je neprázdný systém uzavřených množin, pak \(\bigcap\mathcal{F}\) je uzavřená množina.
Definice. Nechť \((X,\tau)\) je topologický prostor a nechť \(A\subset X\). Množinu, \(\overline{A}\), která je průnikem všech uzavřených množin obsahujících množinu \(A\), nazýváme uzávěrem množiny \(A\) v topologickém prostoru \((X,\tau)\). Množinu, \(\text{Int}(A)\), která je sjednocením všech otevřených množin obsažených v množině \(A\), tj. \(\text{Int}(A) = \bigcup\{U\in\tau(X): U\subset A\}\), nazýváme vnitřkem množiny \(A\) v topologickém prostoru \((X,\tau)\). Je-li potřeba zdůraznit topologický prostor, ve kterém se tvoří uzávěr resp. vnitřek množiny, píšeme \(\text{cl}_X(A)\) resp. \(\text{int}_X(A)\).
Cvičení. Předpokládejme, že \(X\) je topologický prostor. Ukažte, že pro operaci uzávěru množiny platí následující:
  • (C1) \(\overline{\emptyset} = \emptyset\), \(\overline{X} = X\).
  • (C2) \(\overline{A\cup B} = \overline{A}\cup\overline{B}\) pro libovolné množiny \(A,B\subset X\).
  • (C3) \(A \subset \overline{A}\) pro každou množinu \(A\subset X\).
  • (C4) \(\overline{\overline{A}} = \overline{A}\) pro každou množinu \(A\subset X\).
Nyní nechť \(X\) je množina bez topologie a nechť \([\cdot]\) je množinová operace na potenční množině \(\text{exp}(X)\), která splňuje podmínky (C1)-(C4). Tj.
  • (C1) \([\emptyset] = \emptyset\), \([X] = X\).
  • (C2) \([A\cup B] = [A]\cup[B]\) pro libovolné množiny \(A,B\subset X\).
  • (C3) \(A \subset [A]\) pro každou množinu \(A\subset X\).
  • (C4) \([[A]] = [A]\) pro každou množinu \(A\subset X\).
Dokažte, že potom na množině \(X\) existuje právě jedna topologie \(\tau\), pro kterou platí \(\text{cl}_{\tau}(A) = [A]\) pro každou množinu \(A\subset X\). Potom řekneme, že topologie \(\tau\) je generována množinovou operací \([\cdot]\).
Cvičení. Předpokládejme, že \((X,\tau)\) je topologický prostor. Dokažte, že operace vnitřku množiny splňuje následující:
  • (I1) \(\text{Int}(\emptyset) = \emptyset\), \(\text{Int}(X) = X\).
  • (I2) \(\text{Int}(A\cap B) = \text{Int}(A)\cap\text{Int}(B)\) pro libovolné množiny \(A,B\subset X\).
  • (I3) \(\text{Int}(A) \subset A\) pro každou množinu \(A \subset X\).
  • (I4) \(\text{Int}(\text{Int}(A)) = \text{Int}(A)\) pro každou množinu \(A\subset X\).
Nyní předpokládejme, že \(X\) je množina bez topologie a nechť \(\langle\cdot\rangle\) je množinová operace na potenční množině \(\text{exp}(X)\), která splňuje podmínky (I1)-(I4). Tj.
  • (I1) \(\langle\emptyset\rangle = \emptyset\), \(\langle X\rangle = X\).
  • (I2) \(\langle A\cap B\rangle = \langle A\rangle\cap\langle B\rangle\) pro libovolné množiny \(A,B\subset X\).
  • (I3) \(\langle A\rangle \subset A\) pro každou množinu \(A\subset X\).
  • (I4) \(\langle\langle A\rangle\rangle = \langle A\rangle\) pro každou množinu \(A\subset X\).
Dokažte, že potom na množině \(X\) existuje právě jedna topologie \(\tau\), pro kterou platí \(\text{Int}_{\tau}(A) = \langle A\rangle\) pro každou množinu \(A\subset X\). Potom řekneme, že topologie \(\tau\) je generována množinovou operací \(\langle\cdot\rangle\).
Definice. Nechť \(X\) a \(Y\) jsou topologické prostory. Potom řekneme, že funkce \(f:X\to Y\) je spojitá, jestliže pro každou otevřenou množinu \(V\) v \(Y\) platí, že množina \(f^{-1}(V)\) je otevřená v \(X\). Je-li \(x_0\in X\), pak řekneme, že funkce \(f\) je spojitá v bodě \(x_0\), jestliže z podmínky \(f(x_0)\in V\in \tau(Y)\) plyne, že existuje existuje \(U\in\tau(X)\) tak, že \(x_0\in U\) a \(f(U)\subset V\). Řekneme, že funkce \(f:X\to Y\) je homeomorfismus, jestliže je funkce \(f\) bijekce a zároveň \(f\) i \(f^{-1}\) jsou spojité funkce. Existuje-li homeomorfismus \(f:X\to Y\), pak řekneme, že topologické prostory \(X\) a \(Y\) jsou homeomorfní.
Cvičení. Předpokládejme, že \((X,\tau_X)\) a \((Y,\tau_Y)\) jsou topologické prostory a nechť \(f:X\to Y\) je funkce. Dokažte, že následující tvrzení jsou ekvivalentní:
  • (i) Funkce \(f\) je spojitá.
  • (ii) Na prostoru \(Y\) existuje báze \(\mathcal{B}\) topologie \(\tau(Y)\) tak, že pro každou množinu \(U\in\mathcal{B}\) platí, že množina \(f^{-1}(U)\in\tau(X)\).
  • (iii) Na prostoru \(Y\) existuje subbáze \(\mathcal{S}\) topologie \(\tau(Y)\) platí, \(f^{-1}(U)\in\tau(X)\) pro každou množinu \(U\in\mathcal{S}\).
  • (iv) Funkce \(f\) je spojitá v každém bodě \(x\in X\).
  • (v) \(f^{-1}(F)\) je uzavřená množina v \(X\) pro každou uzavřenou množinu \(F\) v \(Y\).
  • (vi) \(f(\text{cl}_X(A))\subset\text{cl}_Y(f(A))\) pro každou množinu \(A\subset X\).
  • (vii) \(\text{cl}_X(f^{-1}(B))\subset f^{-1}(\text{cl}_Y(B))\) pro každou množinu \(B\subset Y\).
  • (viii) \(f^{-1}(\text{Int}_Y(B))\subset\text{Int}_X(f^{-1}(B))\) pro každou množinu \(B\subset Y\).