home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #30 / NN_1992_30.iso / spool / sci / math / 17141 < prev    next >
Encoding:
Internet Message Format  |  1992-12-20  |  5.9 KB

  1. Path: sparky!uunet!mcsun!uknet!comlab.ox.ac.uk!mbeattie
  2. From: mbeattie@black.ox.ac.uk (Malcolm Beattie)
  3. Newsgroups: sci.math
  4. Subject: Re: more math puzzles
  5. Message-ID: <1992Dec18.101409.4666@black.ox.ac.uk>
  6. Date: 18 Dec 92 10:14:09 GMT
  7. References: <24341@galaxy.ucr.edu>
  8. Organization: Oxford University Computing Service, 13 Banbury Rd, Oxford, U
  9. Lines: 120
  10. Originator: mbeattie@black
  11.  
  12. In article <24341@galaxy.ucr.edu> baez@ucrmath.ucr.edu (john baez) writes:
  13.  
  14. >3)  Prove that the tangent bundle of the long line is nontrivial.
  15. >
  16. >The answers to the above 3 are in Hirsch's "Differential Topology."  (Topologists 
  17. >on the net will be delighted to learn that I finally obtained this book and
  18. >will stop pestering them with questions whose answers are in it.)  
  19.  
  20. First, the answer. Let L be the long line (more of which, later
  21. in this post.) Assume for a contradiction that TL is trivial.
  22. Then TL has a nowhere-vanishing section. Integrate this to get
  23. a monotonic map from the reals to L. Any such map from the
  24. reals to L must eventually become constant at some point of L
  25. and the section therefore vanishes at that point. Contradiction.
  26.  
  27. Now for an explanation of `the long line' for those that aren't
  28. familiar with it.
  29.  
  30. Gluing two real intervals together is easy: place the two intervals
  31. side by side and glue the right hand end of the left copy to the
  32. left hand end of the right copy.
  33.  
  34. Gluing a copy of [0,\infty) (call it B) onto the right hand side
  35. of another copy of [0,\infty) (call this copy A) is almost as easy:
  36. small neighbourhoods are just as usual around all points other than
  37. 0 ]in B.
  38.  
  39.                  A                                B
  40. [0--1--2--3--4--...----------------)  [0--1--2--3--4--...--------)
  41.  
  42. We want the 0 \in B to be `near' the right hand (`infinite')
  43. end of A so we declare an open neighbourhood base of 0 \in B
  44. to be of the form: (t,\infty) union [0,s)
  45.                      in A            in B
  46.  
  47. What we get is homeomorphic to the reals, which is not very
  48. interesting. Before we start gluing infinitely many copies
  49. together, we need a digression on ordinals.
  50.  
  51. Ordinals are special well-ordered sets.
  52. More precisely, you can assign an ordinal ord(\alpha) to
  53. any well-ordered set \alpha (the notation omits mentioning
  54. the order) such that ord(\alpha) = ord(\beta) if and only
  55. if the (well-ordered) sets \alpha and \beta are *order*-isomorphic.
  56. Recall that a well-ordered set is a set with an ordering
  57. relation in which any two elements can be compared and for
  58. which any non-empty subset has a least element.
  59. A good way of thinking about ordinals is that they `locally'
  60. look like the naturals, i.e. given any member \beta of an
  61. ordinal, the ordering proceeds with successors
  62. \beta, \beta + 1, \beta + 2, ...
  63. but don't you dare try to go `backwards.'
  64. Yes, Virginia, you can do arithmetic with infinite ordinals
  65. but don't make unwarranted assumptions: ordinal addition is
  66. not even commutative.
  67. An example of an ordinal is the set of natural numbers
  68. (called \omega when thought of as an ordinal.)
  69. Members of ordinals are also ordinals (this works because
  70. you the natural number n `really is' the set {0,1,2,...,n-1}.
  71.  
  72. The class of all ordinals satisfies the well-ordering property
  73. (you don't need posh set theory to do this, ZFC suffices, but
  74. it's easier to state with the word `class' not `property'.)
  75. So consider the (non-empty) class of all uncountable ordinals
  76. and take the least one. This smallest uncountable ordinal is
  77. called \aleph_1. One more thing before we get back to the
  78. topology: each ordinal \alpha is either
  79. (1) zero
  80. (2) a successor ordinal (i.e. \alpha = \beta + 1 for some
  81.     ordinal \beta)
  82. (3) a limit ordinal (e.g. \omega)
  83. Now back to the topology.
  84.  
  85. Notice that you can give each ordinal a topology by declaring
  86. intervals (\alpha,\beta) to be open for each \alpha and \beta
  87. in the ordinal. Although the ordinal looks `discrete' at first
  88. sight, the interesting things happen at limit ordinals.
  89. Recall that any point of an ordinal is an ordinal itself.
  90. At a limit ordinal point \lambda, a neighbourood looks
  91. discrete to its right but certainly not to the left:
  92. it `looks back'. In other words, for each \alpha < \lambda,
  93. (\alpha,\lambda) is open. 
  94.  
  95. Create the long half-line as follows. Take a copy of [0,\infty)
  96. for each member of \aleph_1 and put them all side by side.
  97. This corresponds to the product [0,\infty) \times \aleph_1
  98. viewed with the Hebrew lexical ordering common to the world
  99. or ordinals. This means that the \aleph_1 coordinate takes
  100. precedence. For each `left hand end' of a copy of [0,\infty),
  101. let its open neighbourhood be given by `looking back' to
  102. preceding ordinals. This formalises the idea that moving to the
  103. left from the point 0 in a `successor ordinal copy' of [0,\infty)
  104. jumps you into the copy of [0,\infty) corresponding to the
  105. previous ordinal. This formalises the notion of gluing these
  106. copies of [0,\infty) side by side.
  107. You get the `long line' by gluing two copies of the
  108. `long half line' back to back.
  109.  
  110. The clue to answering question (3) is to consider maps
  111. from L to the reals (R) and maps from R to L.
  112. Because L is very `long', any map from to R must wriggle a
  113. lot---there's no room to do anything else---and you can show
  114. that any smooth map from L to R must have uncountably many points
  115. where its derivative vanishes. I think you can prove more than
  116. this but I'm not sure. I'm an algebraic topologist not a
  117. set-theoretic one. Conversely, any map from R to L can't
  118. cover too much of L because L is too long. One thing one
  119. can show is that any monotonic map from R to L must
  120. eventually become constant because R isn't long enough
  121. to have a nice surjection onto L.
  122.  
  123. This is getting far too long so I'll stop here. Sorry if
  124. this is badly explained, boring or wasted bandwidth.
  125.  
  126. --Malcolm
  127. -- 
  128. Malcolm Beattie <mbeattie@black.ox.ac.uk> | I'm not a kernel hacker
  129. Oxford University Computing Services      | I'm a kernel hacker's mate
  130. 13 Banbury Road, Oxford, OX2 6NN (U.K.)   | And I'm only hacking kernels
  131. Tel: +44 865 273232 Fax: +44 865 273275   | 'Cos the kernel hacker's late
  132.