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/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / math / 14552 < prev    next >
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Text File  |  1992-11-08  |  7.7 KB  |  145 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!europa.asd.contel.com!emory!swrinde!zaphod.mps.ohio-state.edu!uwm.edu!spool.mu.edu!agate!stanford.edu!CSD-NewsHost.Stanford.EDU!Sunburn.Stanford.EDU!pratt
  3. From: pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt)
  4. Subject: Re: definition of topological space
  5. Message-ID: <1992Nov7.044233.28977@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  6. Keywords: Topology; Open sets; Continuity
  7. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  8. Organization: Computer Science Department,  Stanford University.
  9. References: <1992Nov5.094404.15550@infodev.cam.ac.uk> <1992Nov5.165530.21866@CSD-NewsHost.Stanford.EDU> <1992Nov6.091200.7105@leland.Stanford.EDU>
  10. Date: Sat, 7 Nov 1992 04:42:33 GMT
  11. Lines: 132
  12.  
  13. In article <1992Nov6.091200.7105@leland.Stanford.EDU> ledwards@leland.Stanford.EDU (Laurence James Edwards) writes:
  14. >In article <1992Nov5.165530.21866@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>, pratt@Sunburn.Stanford.EDU (Vaughan R. Pratt) writes:
  15. >|> In article <1992Nov5.094404.15550@infodev.cam.ac.uk> rgep@emu.pmms.cam.ac.uk (Richard Pinch) writes:
  16. >|> >Incidentally, {1,2,3} {} {1} is a perfectly good family of open sets
  17. >|> >for a topology on {1,2,3}: but it has nothing to do with epsilons and
  18. >|> >deltas.
  19. >|> 
  20. >|> Well, not nothing at all.  Any topology determines the nearness
  21. >|> relation:  point x is NEAR set Y when x does not belong to Y but does
  22. >|> belong to every closed set containing Y (i.e. to the CLOSURE of Y).
  23. >|> 
  24. >|> (The points near the INTERIOR of X (= complement of closure of
  25. >|> complement of X) constitute the FRONTIER of X.  The BOUNDARY of X is
  26. >|> the portion of its frontier lying within X, equivalently those points
  27. >|> near the complement of X.  So the frontier of X is the boundary of X
  28. >|> plus all points near X.)
  29. >|> 
  30. >|> Applying this to the example, 1 is a hermit (is near no set) while 2 is
  31. >|> near {1}, {3}, and {1,3}, and 3 is near {1}, {2}, and {1,2}.  (So x
  32. >|> being near singleton {y} need not imply that y is near singleton {x}.)
  33. >|> 
  34. >|> This is the topologically abstract expression of the general idea of
  35. >|> epsilon-delta.
  36. >
  37. >Ok, this was one of the things that was confusing me with regard to finite
  38. >sets. To me it seemed that determining the closure requires the definition
  39. >of neighborhood and that neighborhood depends on the definition of near,
  40. >but in the above near depends on the definition of closure. I'm having a
  41. >hard time figuring out why this isn't a circular chain of definitions.
  42. >To my untrained eye it would seem that a set in the absence of any
  43. >ordering or distance relationships cannot be categorized as open or
  44. >closed.
  45. >
  46. >Larry Edwards
  47.  
  48. No circularity, these are alternative definitions.  Let me collect
  49. three of them here in the one place to make this clearer.  A
  50. topological space is a set X with any one of the following equivalent
  51. structures:
  52.  
  53. 1. A set of subsets called open sets.
  54. 2. A function cl:P(X)->P(X) mapping subsets to subsets, called closure.
  55. 3. A binary relation near(x,Y) relating a point x to a subset Y.
  56. (For a 4th, a reflexive version of 3, see Gareth McCaughan's msg today
  57. on nbhd's.)
  58.  
  59. There are two things: axioms to go with each structure, and how to get
  60. the other structures from any given one.
  61.  
  62. Axioms:
  63. 1. The open sets include the empty set and X, and are closed under binary
  64. (hence finite) intersection and arbitrary union.
  65. 2. cl is monotone, idempotent, and increasing.  That is, X<Y -> cl(X)<cl(Y),
  66. cl(cl(X))=X, X<cl(X) (where "<" denotes "subset of").
  67. 3. near(x,Y) is irreflexive, monotone in Y, and &-additive in Y.  That is,
  68. not near(x,{x}), Y<Z and near(x,Y) and x not in Z -> near(x,Z), and 
  69. near(x,Y&Z) iff near(x,Y)&near(x,Z) (& is intersection and conjunction).
  70.  
  71. Getting between these is probably best left as an exercise.
  72.  
  73. As far as |f(x)-f(y)| is concerned, following Mac Lane there are two
  74. reasons to be more abstract, simplicity and unity.  The simplicity
  75. reason is that when an argument goes through with a subset of the
  76. assumptions, it only clutters things up to have the other assumptions
  77. built into your proof.  The unity reason is that that argument is also
  78. applicable to other models of your minimal assumptions, in which case
  79. insisting on keeping the redundant assumptions in your proof needlessly
  80. rules out these other applications.  I can think of no better
  81. definition of mathematics than as the subject of simplicity and unity
  82. of thought.
  83.  
  84. The way I think intuitively about arbitrary topologies (i.e. not even
  85. assuming T0) is to visualize not just the open sets by the themselves
  86. but always paired with their complementary closed sets.  That way you
  87. can think of each pair (O,C) as one of the ways the space can tear in
  88. half, with the frontier of the tear generously given to the closed half
  89. C.  The trivial tear (one side empty) is *always* legal.
  90.  
  91. From this perspective it can be seen that a topological space could
  92. just as well be defined as the pairs (Y,Z) such that Y is *not* open
  93. (and hence Z is not closed).  That is, give all the ways in which the
  94. space is "stuck together".  (So the discrete topology, all sets open,
  95. says that the space "crumbles into dust" in the sense that it is not
  96. held together in any way, while the coarse topology, only 0 and X open,
  97. says it is titanium and there is no way it can come apart except
  98. trivially.  The usual topology on the real plane says you can tear it
  99. apart in relatively tame ways, but ripping out the rationals is
  100. forbidden, the plane is a bit too sticky for that.)
  101.  
  102. This view has the nice feature that you can define a continuous map
  103. f:X->Y to be one that preserves stickiness.  If (U,V) is one of the
  104. ways space X cannot fall apart, then Y cannot fall apart with one half
  105. containing f(U) and the other half containing f(V).  This neatly
  106. captures the idea that continuous maps can't do their own tearing, they
  107. can only tear where the domain of f already permits it.
  108.  
  109. The meaning of the T0 axiom is that there are no identical twins.
  110. Identical twins are two points having the same membership status in
  111. every open set: both in or both out.  T0 does for topological spaces
  112. what antisymmetry does for partially ordered sets, namely it prevents
  113. equivalence classes having more than one element.  (There is a one-one
  114. correspondence between finite topologies and finite preorders
  115. (reflexive transitive binary relations), whence a finite T0 topology is
  116. exactly a finite partial order.  In the infinite case one talks of an
  117. ordered topological space.  The partial order defined by cl is x<=y
  118. just when cl({x}) subset cl({y}).)
  119.  
  120. The stronger T1 axiom says that the only good partial order is a
  121. discrete partial order: the closure of singleton cannot lie inside the
  122. closure of a different singleton, so x <= y (as defined above) iff
  123. x=y.  (This is equivalent to saying that all singletons are closed.)
  124. Since 99.9% of topology is done with T1 spaces this is why you don't
  125. hear about ordered spaces, nontrivial ones don't arise in practice.
  126. (This is not universally true however: the Stone duality of
  127. distributive lattices and Stone spaces requires the full generality of
  128. T0 spaces, and many applications of topology in computer science
  129. similarly violate T1.)
  130.  
  131. So finite T1 topologies are discrete (since T0 topologies are partial
  132. orders and we disallow nontrivial x <= y).  The coarsest possible
  133. infinite T1 topology has for its closed sets exactly the finite sets
  134. (and of course the whole space).  Hence the open sets are the cofinite
  135. sets (finite complements), and hence no two open sets are disjoint.  If
  136. we think of open sets as neighborhoods this means that any two
  137. neighborhoods of two distinct points must intersect.  But real geometry
  138. isn't like that, any two points on the plane have disjoint
  139. neighborhoods, that is, can be housed off from each other, so we call
  140. this the Hausdorff or T2 property.
  141.  
  142. Locales are nice too, but I think I'll stop while I'm ahead (if I am).
  143. -- 
  144. Vaughan Pratt                There's no truth in logic, son.
  145.