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/ NetNews Usenet Archive 1992 #26 / NN_1992_26.iso / spool / sci / math / 14580 < prev    next >
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Text File  |  1992-11-08  |  9.4 KB  |  170 lines

  1. Newsgroups: sci.math
  2. Path: sparky!uunet!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: <1992Nov7.235521.12756@CSD-NewsHost.Stanford.EDU>
  6. Sender: news@CSD-NewsHost.Stanford.EDU
  7. Organization: Computer Science Department,  Stanford University.
  8. References: <1992Nov5.033835.5180@leland.Stanford.EDU> <1dbm2eINN7gr@function.mps.ohio-state.edu> <1992Nov7.002622.17213@access.usask.ca>
  9. Date: Sat, 7 Nov 1992 23:55:21 GMT
  10. Lines: 158
  11.  
  12. In article <1992Nov7.002622.17213@access.usask.ca> choy@skorpio.usask.ca (I am a terminator.) writes:
  13. >What elements of the power set are excluded from the collection?
  14.  
  15. Your choice, depending on how crumbly or sticky you want the space to
  16. be.  If you want the space to be capable of crumbling into total dust
  17. (every point in its own open set) then you keep all subsets.  This is
  18. the DISCRETE topology, which should be thought as a set of isolated
  19. points with no glue to hold them together.  If you want it to be
  20. impossible to partition the space at all then keep just the empty
  21. subset and the whole space (you *have* to always have those).  This is
  22. the COARSE topology, which should be thought of as a blob of titanium
  23. which you have no way of chopping up.
  24.  
  25. Spaces encountered in practice are in between.  For example you can
  26. slice and dice the real line R, you just can't puree it.
  27.  
  28. The basic slice of R into an open set and its complementary closed set
  29. is the open interval (a,b), having as complement (-oo,a]u[b,oo).  These
  30. are called the BASIC open sets.  This is called a BASIS for the
  31. topology.  Dicing is parallel slicing: you can chop out as many open
  32. intervals (basic open sets) as you want at the one time, and the union
  33. of these is considered to be an open set.  The open sets formed in this
  34. way can be seen to be a topology, called the topology GENERATED BY that
  35. basis.  The topology on R generated by the finite open intervals is the
  36. STANDARD TOPOLOGY on R.
  37.  
  38. Slicing out no intervals at all is permitted, making the empty set
  39. open.  Slicing them all out (overlap is ok) makes R open.  Slicing out
  40. all unit open intervals (i,i+1) for all integers i yields R-Z, the set
  41. of noninteger reals, whence Z is a closed subset of R, as are all
  42. subsets of Z.  Slicing out all the open intervals below a yields
  43. (-oo,a), and above a, (a,oo).
  44.  
  45. Why this particular topology on R?  Well, the *motivation* comes from
  46. more concrete information about R than present in its topology, namely
  47. its arithmetic.  Let's say that point x on R is NEAR subset Y of R when
  48. x is not in Y ("near" being the irreflexive version of Y as a
  49. neighborhood of x) and for every real \epsilon > 0 there exists a point
  50. y in Y for which |x-y| < \epsilon (notice the appeal to the arithmetic
  51. of R).  Connect this notion with abstract topology by defining a closed
  52. set to be one with no points near it, and an open set to be the
  53. complement of a closed set (and conversely define near(Y), the set of
  54. points near Y, to be cl(Y)-Y).  It is easy to see that every open
  55. interval satisfies this definition.  It is a nice exercise to verify
  56. that the remaining sets that satisfy this definition are exactly the
  57. unions of open intervals.  Thus the definitions of open and closed in
  58. this paragraph are exactly equivalent to those in the preceding
  59. paragraphs.
  60.  
  61. And this makes it clear why the rationals do not form an open set.  The
  62. rational 0 is near the set of irrationals, making that set not closed
  63. and hence its complement not open.  (Indeed *every* rational is near
  64. the irrationals.)  The converse situation (rationals and irrationals
  65. interchanged) is identical, with the substitution of sqrt(2) for 0.  So
  66. neither the rationals nor the irrationals is either open or closed.
  67. This shows that you cannot puree R: you can't chop it up completely
  68. arbitrarily, especially not into fine dust like the rationals and the
  69. irrationals.
  70.  
  71. Puzzle: is the set of fractions 1/i for integer i>0 open?  Closed?
  72. Solve it both ways, appealing first to the arithmetic notion of
  73. nearness to make sure you get the right answers, then see what you have
  74. to do to your argument so that it appeals only to the
  75. union-of-open-intervals definition of "open".  What difference does
  76. adding 0 to this set make?
  77.  
  78. So all the information in the standard topology on the reals is present
  79. in real arithmetic.  What about the converse?   Can we recover the
  80. arithmetic on the reals from the information in the standard topology
  81. on R?
  82.  
  83. Answer: no.  From just the open sets we can't even tell where 0 is.
  84. Even if we could, we can't tell the scale: 1 could be any point other
  85. than 0 (kx is a homeomorphism of R for any real nonzero k).  But even
  86. after we've chosen 1, we can't find 1/2 or 2, since topological spaces
  87. needn't stretch linearly under homeomorphism (example: x^3).  On the
  88. other hand, after choosing 0 and 1 we *are* able to distinguish the
  89. positive reals, namely as the block containing 1 in the unique (see
  90. below) partition of R-{0} into two nonempty open sets.
  91.  
  92. So haven't we thrown out the baby with the bathwater in discarding
  93. arithmetic in this way?  No, because topology doesn't care about
  94. arithmethic.  What topology cares about are things like nearness and
  95. connectedness.
  96.  
  97. So have we thrown out connectedness?  In particular have we lost the
  98. information about the real line that it is a connected space?  No, we
  99. still have that information.  Consider "punctured" R, R-{0}.  This is
  100. an open set consisting of two disjoint open sets, the negative reals
  101. and the positive, but none of these three sets are closed.  Now suppose
  102. we take R-{0} to be a space in its own right, taking as its open sets
  103. those open sets in the standard topology on R that do not contain 0.
  104. We are then obliged to declare R-{0} to be closed.  This in turn makes
  105. the positive reals and the negative reals closed, each now being the
  106. complement of an open set.  Thus R-{0} as a space in its own right
  107. contains exactly four sets that are both closed and open, or CLOPEN:
  108. the empty set, the whole space, the negative reals, and the positive
  109. reals.  Every space contains at least the empty set and the whole space
  110. as clopen sets.  Any other complementary pair of clopen sets is called
  111. a SEPARATION.  A CONNECTED space is one with no separations.  According
  112. to this definition R is connected, since the only open sets of R with
  113. no points near them are the empty set and R.  But we have just seen a
  114. separation of R-{0} (its only one), making that space disconnected.
  115.  
  116. So without appealing to arithmetic we were able to tell from the
  117. standard topology on R that deleting 0 from R disconnects it.  Topology
  118. forgets certain details of arithmetic but remembers those details to do
  119. with nearness, connectedness, and other such notions characteristic of
  120. topology.  The standard topology on the real line is an ABSTRACTION of
  121. real arithmetic.
  122.  
  123. ==================
  124. Idiosyncratic footnote.
  125.  
  126. To make connectedness seem more concrete, let's say that sets are
  127. NAILED together at point x when they have x in common, and GLUED
  128. together at point x when one set is nailed to the closure of the other
  129. at x.  Disjoint closed sets are disconnected from each other because
  130. they are neither nailed nor glued together, the situation with the two
  131. halves of R-{0}.  In R the halves are still neither nailed nor glued
  132. together, but in R they are not closed, and it is possible for a closed
  133. set, namely {0}, to form a bridge connecting them.
  134.  
  135. Conversely disjoint sets that are glued together must include at least
  136. one nonclosed set.  Think of the nonclosed set X as being STICKY AT (or
  137. having glue at) those points in cl(X)-X.  Stickiness of Y at x can
  138. arise in two ways.  Either there is some point y in Y for which x < y
  139. (i.e. cl({x}) subset-of cl({y})), in which case we may visualize the
  140. stickiness concretely as a rubber band from x to y.  This is
  141. necessarily the situation when Y is finite.  Or there is no such y in Y
  142. (necessarily the case for T1 topologies, which forbid x<y), in which
  143. case Y must be infinite.  In that case we may picture a cloud of dust
  144. in Y aggregating around x, which is called an ACCUMULATION POINT for Y
  145. (not idiosyncratic).  The dust can be thought of as collectively
  146. generating a potential field attracting x, the infinite analog of the
  147. rubber band.  Annihilating finitely many of these dust particles
  148. (removing them from the whole space) cannot alter this imagined field,
  149. in the sense that what is left of Y continues to be sticky at x.
  150.  
  151. An extreme case is given by the set of rationals, which is sticky at
  152. every irrational, and vice versa, assuming the standard topology on R.
  153. Hence the rationals and the irrationals are glued together at every
  154. point of R.  Now it is impossible for an open-closed pair (O,C) to be
  155. glued together at every point of a nonempty space.  This is because the
  156. glue points must all be in C, making C the whole space.  But the whole
  157. space is not glued to the empty space at any point, a contradiction.
  158. So this gives another way to see that the set of rationals is neither
  159. open nor closed in the standard topology on R.  It is however both open
  160. and closed in the discrete topology on R.
  161.  
  162. So we see that connectedness is a mild form of togetherness: it is
  163. possible to tear a connected space into an open and a closed set, both
  164. nonempty, but there must be some resulting stickiness at the frontier
  165. of the open set.  In contrast, a space with the coarse topology is a
  166. much stronger form of togetherness:  no tearing into two nonempty sets
  167. is permitted at all.
  168. -- 
  169. Vaughan Pratt                There's no truth in logic, son.
  170.