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authorUlli Kehrle <ulli.kehrle@rwth-aachen.de>2017-12-29 12:44:36 +0100
committerUlli Kehrle <ulli.kehrle@rwth-aachen.de>2017-12-29 12:44:36 +0100
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index 35f1f1e..bf094ab 100644
--- a/ch02-topologie.tex
+++ b/ch02-topologie.tex
@@ -173,11 +173,12 @@
\end{bemerkung-nn}
\begin{definition}[Homöomorphismus]
\index{Homöomorphismus}
+ \index{isomorph!topologisch}
\label{defi:homoeomorphismus-2.1.8}
Ist $f : (X,\T_{X}) \rightarrow (Y,\T_{Y})$ bijektiv, stetig,
und $f^{-1} : (Y,\T_{Y}) \rightarrow (X,\T_{X})$ auch stetig,
dann heißt $f$ (und $f^{-1}$) \emph{Homöomorphismus}.
- $X$ und $Y$ heißen \emph{homöomorph}, falls so ein Homöomorphismus
+ $X$ und $Y$ heißen \emph{homöomorph} oder \emph{topologisch isomorph}, falls so ein Homöomorphismus
existiert.
\end{definition}
\begin{definition}[Basis von Topologien und Umgebungen]
@@ -237,13 +238,13 @@ existiert.
\end{beispiel-nn}
\begin{definition}[Produkttopologie]
\index{Topologie!Produkt-}
- Seien $(X,\T_{X}),(Y,\T_{Y})$ topologische Räume.
- Dann ist die Familie von Mengen
+ Seien $(X,\T_{X}),(Y,\T_{Y})$ topologische Räume.
+ Dann ist die Familie von Mengen
\[
- \{U_{X} \times U_{Y} : U_{X} \in \T_{X}, U_{Y} \in \T_{Y} \} \subset \Pot{X \times Y}
+ \{U_{X} \times U_{Y} : U_{X} \in \T_{X}, U_{Y} \in \T_{Y} \} \subset \Pot{X \times Y}
\]
- eine Basis der Topologie $\T_{X \times Y}$ im kartesischen Produkt $X \times Y$.
- Bemerkung: Es genügt auch wenn $U_{X},U_{Y}$ über Basen von $\T_{X},\T_{Y}$ genommen werden.
+ eine Basis der Topologie $\T_{X \times Y}$ im kartesischen Produkt $X \times Y$.
+ Bemerkung: Es genügt auch wenn $U_{X},U_{Y}$ über Basen von $\T_{X},\T_{Y}$ genommen werden.
\end{definition}
\section{Metrische Räume}
\index{Raum!metrischer}
@@ -325,7 +326,7 @@ existiert.
Dann sind $B_{δ/2}(x)$ und $B_{δ/2}(y)$ disjunkte Umgebungen von $x$ bzw $y$:
Sei $z ∈ B_{δ/2}(x)$. Dann ist
\[
- d(z,y) \ge d(y,x) - d(x,z) > δ - \frac δ 2 = \frac δ 2.
+ d(z,y) \ge d(y,x) - d(x,z) > δ - \frac {δ} 2 = \frac {δ} 2.
\]
\end{proof}
\begin{lemma-nn}[Eigenschaften metrischer Räume]
@@ -343,9 +344,7 @@ existiert.
\item
Es ist $x_0 ∈ M$ genau dann ein innerer Punkt von $M ⊂ X$, wenn ein $\epsilon > 0$ existiert mit $B_\epsilon (x_0) ⊂ M$.
\item
- $M$ ist nirgends dicht in $X$ genau dann, wenn es zu jeder Kugel
-$B_\epsilon (x_0)$ mit $x_0 ∈ X, \epsilon > 0$ eine Kugel $B_\delta (x_1) ⊂
-B_\epsilon (x_0)$ mit $B_\delta(x_1) ∩ M = \emptyset$ gibt.
+ $M$ ist nirgends dicht in $X$ genau dann, wenn es zu jeder Kugel $B_\epsilon (x_0)$ mit $x_0 ∈ X, \epsilon > 0$ eine Kugel $B_\delta (x_1) ⊂ B_\epsilon (x_0)$ mit $B_\delta(x_1) ∩ M = \emptyset$ gibt.
\item
Seien $(X,d_X)$ und $(Y,d_Y)$ metrische Räume.
Dann ist auch $(X×Y,d_{X×Y})$ ein metrischer Raum vermöge der Metrik
@@ -396,7 +395,6 @@ Nun ein paar Charakterisierungen von kompakten Mengen in metrischen Räumen.
\index{Abzählbarkeitsaxiom!zweites}
Für „$(b) \Rightarrow (c)$“ benötigt man das erste Abzählbarkeitsaxiom, also die Existenz von abzählbaren Umgebungsbasen für jeden Punkt.
\end{bemerkung}
-
\section{Vollständigkeit in metrischen Räumen und der Satz von Baire}
\label{sec:vollst-metr-raum}
\begin{definition}[Cauchy-Folge]
@@ -412,7 +410,7 @@ Nun ein paar Charakterisierungen von kompakten Mengen in metrischen Räumen.
Sei etwa $\lim_{n→∞} x_n = x$. Sei $ε > 0$.
Da $(x_n)_{n ∈ ℕ}$ gegen $x$ konvergiert, gibt es $N ∈ ℕ$ mit $d(x_n,x)< ε/2$ für alle $n ≥ N$, also mit der Dreiecksungleichung
\[
- ∀n,m ≥ N: d(x_n,x_m) ≤ d(x_n,x) + d(x, x_m) < \frac ε 2 + \frac ε 2 = ε.
+ ∀n,m ≥ N: d(x_n,x_m) ≤ d(x_n,x) + d(x, x_m) < \frac {ε} 2 + \frac {ε} 2 = ε.
\]
\end{proof}
\begin{definition}[vollständiger metrischer Raum]
@@ -542,22 +540,21 @@ Der Vollständigkeit halber noch eine alternative (stärkere) Formulierung:
Sei $(U_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Folge offener, dichter Teilmengen von $X$.
Dann ist auch $\bigcap_{n ∈ ℕ} U_n ⊂ X$ dicht.
\item
- Sei $(A_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Folge nirgends dichter Teilmengen. Dann ist
- $\bigcup_{n ∈ ℕ} A_n \ne X$.
+ Sei $(A_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Folge nirgends dichter Teilmengen.
+ Dann ist $\bigcup_{n ∈ ℕ} A_n \ne X$.
\item
- Sei $(A_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Folge abgeschlossener Teilmengen mit
- $\bigcup_{n ∈ ℕ} A_n = X$. Dann gilt für mindestens ein $n ∈ ℕ$, dass $A_n^\circ
- \ne \emptyset$.
+ Sei $(A_n)_{n ∈ ℕ}$ eine Folge abgeschlossener Teilmengen mit $\bigcup_{n ∈ ℕ} A_n = X$.
+ Dann gilt für mindestens ein $n ∈ ℕ$, dass $A_n^\circ \ne \emptyset$.
\end{enumerate}
\end{satz}
\begin{proof}
\begin{enumerate}
\item
- Sei $W ⊂ X$ offen und nichtleer. Zu zeigen: $\bigcap_{n ∈ ℕ} U_n ∩ W \ne
- \emptyset$. Sei zunächst $X$ vollständig metrisierbar durch die Metrik
- $d$. Da $U_1 ∩ W$ offen und nichtleer nach Annahme gibt es $x_1 ∈ U ∩ W$
- und $0 < r_1 < 1$ mit $B_{r_1}(x_1) ⊂ U_1 ∩ W$. Wir wählen nun induktiv
- Punkte $x_n ∈ X$ und Zahlen $0 < r_n < 1$ (für $n \ge 2$) mit folgenden
+ Sei $W ⊂ X$ offen und nichtleer.
+ Zu zeigen: $\bigcap_{n ∈ ℕ} U_n ∩ W \ne \emptyset$.
+ Sei zunächst $X$ vollständig metrisierbar durch die Metrik $d$.
+ Da $U_1 ∩ W$ offen und nichtleer nach Annahme gibt es $x_1 ∈ U ∩ W$ und $0 < r_1 < 1$ mit $B_{r_1}(x_1) ⊂ U_1 ∩ W$.
+ Wir wählen nun induktiv Punkte $x_n ∈ X$ und Zahlen $0 < r_n < 1$ (für $n \ge 2$) mit folgenden
Eigenschaften:
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
\item
@@ -565,37 +562,31 @@ Der Vollständigkeit halber noch eine alternative (stärkere) Formulierung:
\item
$\cl{B_{r_n}(x_n)} ⊂ U_n ∩ B_{r_{n-1}} (x_{n-1})$
\end{enumerate}
- Dazu beachte man, dass $U_n ∩ B_{r_{n-1}}(x_{n-1})$ nichtleer und offen
- ist, also existiert $x_n$ und $\frac 1 n > \epsilon > 0$ mit $B_\epsilon (x_n) ⊂ U_n ∩
- B_{r_{n-1}} (x_{n-1})$ und $r_n = \frac \epsilon 2$ ist wie gewünscht. Für $m
- \ge n$ impliziert (ii), dass $x_m ∈ B_{r_n}(x_n)$ und aus (i) folgt,
- dass die Folge $(x_n)_{n ∈ ℕ}$ damit eine Cauchyfolge ist. Damit
- konvergiert $(x_n)_{n ∈ ℕ}$ gegen ein $x ∈X$. Sei nun $N ∈ ℕ$ und $m >
- N$. Dann folgt aus $x_m ∈ B_{r_N}(x_N)$, dass
+ Dazu beachte man, dass $U_n ∩ B_{r_{n-1}}(x_{n-1})$ nichtleer und offen ist, also existiert $x_n$ und $\frac 1 n > \epsilon > 0$ mit $B_\epsilon (x_n) ⊂ U_n ∩ B_{r_{n-1}} (x_{n-1})$ und $r_n = \frac \epsilon 2$ ist wie gewünscht.
+ Für $m \ge n$ impliziert (ii), dass $x_m ∈ B_{r_n}(x_n)$ und aus (i) folgt, dass die Folge $(x_n)_{n ∈ ℕ}$ damit eine Cauchyfolge ist.
+ Damit konvergiert $(x_n)_{n ∈ ℕ}$ gegen ein $x ∈X$.
+ Sei nun $N ∈ ℕ$ und $m > N$.
+ Dann folgt aus $x_m ∈ B_{r_N}(x_N)$, dass
\begin{align*}
- x &= \lim_{m → \infty } x_m ∈ \cl{B_{r_N}(x_n)} ⊂ U_N ∩ B_{r_{N-1}}(x_{N-1}) \\
- & ⊂ U_N ∩ B_{r_1}(x_1) ⊂ U_N ∩ W,
- \end{align*}
+ x &= \lim_{m → \infty } x_m ∈ \cl{B_{r_N}(x_n)} ⊂ U_N ∩ B_{r_{N-1}}(x_{N-1}) \\
+ & ⊂ U_N ∩ B_{r_1}(x_1) ⊂ U_N ∩ W,
+ \end{align*}
also $x ∈ \bigcap_{n ∈ ℕ} U_N ∩ W$.
- Sei Nun $X$ lokalkompakt. Da $U_1 ∩ W$ offen und nichtleer ist, gibt es
- $x ∈ U_1 ∩ W$, und es ist $U_1 ∩ W ∈ \U_x$. Wähle $B_1 ∈ \U_x$ kompakt
- mit $B_1 ⊂ U_1 ∩ W$. Wir konstruieren nun sukzessive kompakte Mengen
- $B_k$ (zu $k \ge 2$) mit folgenden Eigenschaften:
+ Sei Nun $X$ lokalkompakt.
+ Da $U_1 ∩ W$ offen und nichtleer ist, gibt es $x ∈ U_1 ∩ W$, und es ist $U_1 ∩ W ∈ \U_x$.
+ Wähle $B_1 ∈ \U_x$ kompakt mit $B_1 ⊂ U_1 ∩ W$.
+ Wir konstruieren nun sukzessive kompakte Mengen $B_k$ (zu $k \ge 2$) mit folgenden Eigenschaften:
\begin{enumerate}[label=(\roman*)]
\item
$B_k ⊂ B_{k-1}$
\item
$\emptyset \ne B_k^\circ ⊂ B_k ⊂ U_k$.
\end{enumerate}
- Ist $B_{k-1}$ gegeben, so ist wegen $B_{k-1}^\circ \ne \emptyset$ und
- der Dichtheit von $U_k$ der Schnitt $B_{k-1}^\circ ∩ U_k$ offen und
- nichtleer. Es gibt also ein $x ∈ B_{k-1}^\circ ∩ U_k$ und damit auch
- eine kompakte $x$-Umgebung $B_k ⊂ U_k ∩ B_{k-1}$.
- Die Familie $(B_k)_{k ∈ ℕ}$ nichtleerer Teilmengen der kompakten Menge
- $B_1$ ist absteigend, besitzt also die endliche Durschnittseigenschaft.
- Da $X$ hausdorffsch und die $B_k$ kompakt sind, ist zudem jedes $B_k$
- abgeschlossen, somit folgt
+ Ist $B_{k-1}$ gegeben, so ist wegen $B_{k-1}^\circ \ne \emptyset$ und der Dichtheit von $U_k$ der Schnitt $B_{k-1}^\circ ∩ U_k$ offen und nichtleer.
+ Es gibt also ein $x ∈ B_{k-1}^\circ ∩ U_k$ und damit auch eine kompakte $x$-Umgebung $B_k ⊂ U_k ∩ B_{k-1}$.
+ Die Familie $(B_k)_{k ∈ ℕ}$ nichtleerer Teilmengen der kompakten Menge $B_1$ ist absteigend, besitzt also die endliche Durschnittseigenschaft.
+ Da $X$ hausdorffsch und die $B_k$ kompakt sind, ist zudem jedes $B_k$ abgeschlossen, somit folgt
\[
\emptyset \ne \bigcap_{k ∈ ℕ} B_k ⊂ \bigcap _{k ∈ ℕ}U_k
\]
@@ -608,10 +599,10 @@ Der Vollständigkeit halber noch eine alternative (stärkere) Formulierung:
\emptyset \ne \bigcap_{k ∈ ℕ} B_k ⊂ \bigcap_{k ∈ ℕ} U_k ∩ W.
\]
\item
- Für $n ∈ ℕ$ Sei $U_n = \complement_X \cl{A_n}$. Dann ist $U_n$ offen und
- dicht. Mit Teil (a) folgt, dass auch $\bigcap_{n ∈ ℕ U_n }$ dicht, und
- somit insbesondere nicht leer, ist. Also ist $\bigcup_{n ∈ ℕ} A_n
- ⊂ \bigcup_{n ∈ ℕ} \cl{A_n} = (\bigcap_{n ∈ ℕ} U_n)^\complement \ne X$.
+ Für $n ∈ ℕ$ Sei $U_n = \complement_X \cl{A_n}$.
+ Dann ist $U_n$ offen und dicht.
+ Mit Teil (a) folgt, dass auch $\bigcap_{n ∈ ℕ U_n }$ dicht, und somit insbesondere nicht leer, ist.
+ Also ist $\bigcup_{n ∈ ℕ} A_n ⊂ \bigcup_{n ∈ ℕ} \cl{A_n} = (\bigcap_{n ∈ ℕ} U_n)^\complement \ne X$.
\item
Das ist eine direkte Konsequenz aus (b).
\end{enumerate}