home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / math / 14455 < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1992-11-06  |  5.8 KB  |  116 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!snorkelwacker.mit.edu!bloom-picayune.mit.edu!athena.mit.edu!tycchow
  3. From: tycchow@athena.mit.edu (Timothy Y Chow)
  4. Subject: Re: definition of topological space
  5. Message-ID: <1992Nov5.203738.840@athena.mit.edu>
  6. Sender: news@athena.mit.edu (News system)
  7. Nntp-Posting-Host: alfredo.mit.edu
  8. Organization: None.  This saves me from writing a disclaimer.
  9. References: <1992Nov5.033835.5180@leland.Stanford.EDU>
  10. Date: Thu, 5 Nov 1992 20:37:38 GMT
  11. Lines: 103
  12.  
  13. In article <1992Nov5.033835.5180@leland.Stanford.EDU>
  14. ledwards@leland.Stanford.EDU (Laurence James Edwards) writes:
  15.  
  16. >The definition of a topological space is:
  17. [definition deleted]
  18. >What is the purpose of this definition?
  19.  
  20. To appreciate the definition you have to have had some experience with
  21. open sets on the real line R (or more generally in R^n).  Recall that
  22. an open ball with center O and radius r is the set of all points at a
  23. distance *strictly* less than r from O.  So it's the set of all points
  24. "inside" a sphere or a circle or an interval, *excluding* the boundary
  25. points.  An open set is just an arbitrary union of open balls---not
  26. necessarily even connected.  A closed set of the real line is typically
  27. defined as one which contains all its limit points.
  28.  
  29. If you start working out theorems about these sets and their relationship
  30. with functions, you'll derive facts like this:
  31.  
  32. 1. The intersection of finitely many open sets is open.
  33. 2. A set is closed if and only if its complement is open.
  34. 3. A function is continuous if and only if the inverse image of every open
  35.     set is open.  (The "inverse image" of a set U is the set of all points
  36.     that get mapped into U.)
  37. 4. Given two closed bounded disjoint sets C_1 and C_2, there are open sets
  38.     U_1 and U_2 such that U_1 contains C_1, U_2 contains C_2, and U_1 and
  39.     U_2 are disjoint.
  40.  
  41. In other words, many interesting properties of R^n seem to involve only
  42. the concepts of open and closed sets, and don't seem to have much to do
  43. with distances or angles or vector addition and multiplication.  So what
  44. mathematicians have done is to take the crucial properties of open and
  45. closed sets that seem to keep coming up over and over again and write
  46. them down as axioms.  In particular they say that a collection T of
  47. subsets of a set X is a _topology_ if
  48.  
  49. A. The empty set is in T and X is in T.
  50. B. The union of an arbitrary number of elements of T is again in T.
  51. C. The intersection of finitely many elements of T is again in T.
  52.  
  53. The elements of T are called _open_sets_ and complements of open sets
  54. are called _closed_sets_.  At this point it might be helpful to point
  55. out that you should forget about any preconceived notions of what the
  56. words "topology" or "open set" or "closed set" should mean.  *Anything*
  57. that satisfies the above conditions is a topology.  (Of course, the
  58. collection of open sets of R^n as previously defined satisfy these
  59. conditions, so it is a topology.)
  60.  
  61. Why do we do this?  By separating out these properties of open and closed
  62. sets we clarify our thinking.  We know that any theorems we derive from
  63. properties A-C won't depend on any concept of distance or angle.  Also
  64. if we happen to run across other mathematical objects satisfying the
  65. properties A-C we will have a bunch of theorems about that space all
  66. packaged up and ready to go---we won't have to re-prove everything in
  67. the new context.
  68.  
  69. There is still another question: why these particular properties as
  70. opposed to any others?  The answer is that through years of experience
  71. mathematicians have found that the properties A-C capture pretty
  72. accurately the basic geometrical properties of R^n that don't depend on
  73. distances or angles.  If you have heard anything about topology (here
  74. referring to the branch of mathematics, not a collection of sets!) you
  75. will know that it deals with properties of objects that don't change
  76. when you stretch or deform them (e.g., the number of holes in a donut).
  77. Getting from this general concept to properties A-C is not at all an
  78. obvious process, and it took mathematicians many years of trial and
  79. error to do it.
  80.  
  81. >To the naive reader (such as myself)
  82. >it would seem that just about any set along with one of its subsets and the
  83. >empty set would be a topological space, e.g. it would semm to me that:
  84. >
  85. >{1,2,3} {} {1}
  86. >
  87. >is a topological space. What am I missing here?
  88.  
  89. You aren't missing anything.  This is something that satisfies the axioms,
  90. so it is in fact a topological space.  This is always what happens when you
  91. extract certain properties from a familiar example---you will discover that
  92. there are many other objects that satisfy these axioms, and many of these
  93. objects are not things you planned to invite to your party.  This is often
  94. a good thing---these unsolicited guests often furnish counterexamples to
  95. conjectures that you might make, and sometimes even open up new branches
  96. of mathematics.
  97.  
  98. A classic example of this is Euclid's postulates for geometry.  For nearly
  99. two thousand years people tried to prove his fifth axiom from his other
  100. axioms.  Finally someone discovered an example of something that satisfied
  101. the first four axioms but not the fifth.  The counterexample, namely the
  102. hyperbolic plane, has resulted in a lot of interesting mathematics.
  103.  
  104. >In one math dictionary
  105. >it is stated that this definition allows one to establish the notion of
  106. >continuity as it applies to functions between topological spaces ...
  107. >I don't see how. Can anyone clue me in?
  108.  
  109. Remember that in R^n we proved that a function is continuous if and only
  110. if the inverse image of every open set is open.  Well, in topology we just
  111. *define* a function to be continuous if the inverse image of every open set
  112. is open.  This new definition of continuous coincides with the old one in
  113. the case of R^n but it has the advantage of making sense in new contexts.
  114. Using this definition we can apply theorems about continuous functions to
  115. any other topological space that comes along.
  116.