Топология компьютерных сетей. Общая топология

Особое место среди областей топологии занимает общая топология. В настоящее время общая топология достигла того наиболее естественного уровня общности, который позволяет излагать топологические принципы, концепции и конструкции с наибольшей прозрачностью и одновременно обеспечить им максимально широкую приложимость в других разделах математики.

Общая топология – это область математики, в которой изучаются общие геометрические свойства, сохраняющиеся при непрерывных и взаимно однозначных отображениях.

Наряду с алгеброй общая топология составляет основу современного теоретико-множественного метода в математике.

Аксиоматически определяемыми объектами изучения общей топологии являются пространства и их непрерывные отображения. Под топологическим пространством понимается множество объектов произвольной природы, называемых точками, в котором выделена некоторая система подмножеств, называемых открытыми множествами пространства. Эта система должна включать в себя всё пространство и пустое множество и содержать в себе вместе с любыми двумя множествами их пересечение и вместе с любым набором множеств множество, которое является их объединением.

Существенное влияние на развитие общей топологии оказало введённое П.С. Александровым понятие бикомпактности. Александров и Урысон создали теорию бикомпактных пространств. Бикомпактные пространства – один из главных объектов исследования в общей топологии – и в настоящее время находятся в центре внимания математиков. Они играют важную роль в теории размерности, теории гомологий и других разделах топологии, а также имеют основное значение в функциональном анализе. Всякое вполне регулярное пространство является подмножеством некоторого бикомпактного хаусдорфова пространства.

В настоящее время наиболее распространённым является следующее определение бикомпактного пространства: пространство называется бикомпактным, если из всякого открытого покрытия этого пространства можно выбрать конечное число покрывающих множеств.

В литературе можно встретить и другие классы пространств, родственные бикомпактным, например псевдокомпактные, квазикомпактные. Бикомпактные пространства занимают главное место среди них и играют такую же роль в общей топологии, как компакты в классе метризуемых пространств.

Кроме того, общая топология посвящена изучению понятий непрерывности, а также других понятий, таких как компактность или отделимость, как таковых, без обращения к другим инструментам.

4. Топологическое пространство

Топологическое пространство – основной объект изучения топологии. Понятие топологического пространства можно рассматривать как обобщение понятия геометрической фигуры, в котором мы отвлекаемся от свойств наподобие размера или точного положения частей фигуры в пространстве, и сосредотачиваемся только на взаимном расположении частей. Топологические пространства возникают естественно почти во всех разделах математики.

Итак, топологическое пространство определяется через систему открытых множеств посредством аксиом. Естественно, само это понятие базируется на предварительных общих понятиях «пространство» и «открытое множество».

В современной математике пространство определяют как некоторое абстрактное множество произвольных объектов, для которых задана определённая операция, осуществляющая известное отношение между элементами пространства. Базой для построения теории того или иного абстрактного пространства является, с одной стороны, общематематическое понятие множества, под которым понимается произвольная совокупность любых объектов (элементов), а с другой, – установленные определённым образом структурные отношения между этими объектами.

Пусть дано множество X. Множество T его подмножеств называется топологией на X, если выполнены следующие свойства:

Все X и пустое множество принадлежат T,

Объединение произвольного семейства множеств, принадлежащих T, принадлежит T,

Пересечение двух множеств, принадлежащих T, принадлежит T.

Множество X вместе с заданной на нем топологией T называется топологическим пространством. Подмножества X, принадлежащие T, называются открытыми множествами.

Потребность в развитии общего подхода к понятию пространства возникла довольно давно – в конце прошлого и начале нынешнего столетия. В связи с развитием теории функций действительного переменного и функционального анализа возникли и другие объекты – функциональные пространства и их подмножества, – для исследования которых также требуются понятия и методы общей топологии.

В настоящее время топологические методы исследования применяются не только в анализе, но и во многих других отраслях математики. Значительной является роль топологических методов в дифференциальных уравнениях. В результате синтеза идей общей топологии и функционального анализа возникла теория топологических векторных пространств. Абстрактные топологические пространства неожиданным образом могут возникать и применяться в самых различных областях математики.

Общепринятое ныне понятие топологического пространства возникло не сразу. Появившееся ранее метрические пространства, которые и по сей день являются важным предметом изучения общей топологии, не могли удовлетворить математиков.

Первые достаточно общие определения топологического пространства даны в работах Фреше, Рисса и Хаусдорфа. Окончательно определение топологического пространства было сформулировано польским математиком К. Куратовским и П.С. Александровым.

Для задания на множестве X некоторой топологии Ω нет необходимости указывать непосредственно все подмножества семейства Ω. Существует другой очень удобный способ построения топологии с помощью понятия базы.

Совокупность β открытых множеств пространства (X,Ω) называется базой топологии Ω или базой пространства (X,Ω), если всякое непустое открытое множество топологического пространства (X,Ω) можно представить в виде объединения некоторой совокупности множеств, принадлежащих β. В частности, X равно объединению всех множеств базы.

Теорема 1.9.

Совокупность β открытых множеств топологии Ω является базой этой топологии тогда и только тогда, когда для всякого открытого множества U Ω и для всякой точки х U существует множество V β такое, что х V U.

Доказательство. Пусть β - база топологии Ω. U - произвольное открытое множество из семейства Ω, х - произвольная точка множества U. Тогда, по определению базы, множество , где - некоторое семейство множеств, принадлежащих совокупности β. Так как х U, то найдется индекс α 0 J такой, что х V α0 β, и V α0 U. Обратно, если U - произвольное открытое множество из семейства Ω, то для любой точки х U найдется множество V x β такое, что х V x U. Непосредственно проверяется, что объединение всех таких V x совпадает с U: . Таким образом, любое открытое множество из семейства Ω является объединением некоторой совокупности множеств, принадлежащих β. Значит, β является, по определению, базой топологии Ω.

Теорема доказана.

Система подмножеств S α из X называется покрытием X, если объединение совпадает с X. Покрытие S называется открытым , если каждое S α открыто в пространстве (X,Ω).

В частности, база пространства (X,Ω) является открытым покрытием X. Однако не всякое покрытие X может служить базой некоторой топологии на X.

Возникает вопрос: если - некоторое покрытие X, то при каких условиях можно построить топологию на X так, чтобы данное семейство было базой этой топологии? Отвечает на этот вопрос следующая теорема.

Теорема 1.10.

Пусть . Покрытие β = является базой некоторой топологии на X тогда и только тогда, когда для каждого V α из β, каждого V β из β и для каждой точки x V α V β существует V γ β такое, что x V γ (V α V β).

Доказательство. Пусть β = - база пространства (X,Ω). Так как β Ω, то в силу аксиомы в) топологического пространства пересечение любых двух множеств из совокупности β является открытым множеством, т.е. V α V β Ω. Отсюда, по теореме 1.9 для любой точки х V α V β найдется V γ β такое, что x V γ (V α V β).

Обратно, пусть покрытие β удовлетворяет условию теоремы. Зададим семейство Ω, состоящее из пустого множества и всевозможных объединений множеств из β. Покажем, что построенное семейство Ω удовлетворяет аксиомам а) - в) топологического пространства. Аксиома а)очевидна: пустое множество входит в Ω по условию, а множество принадлежит Ω как объединение всех множеств из β. Проверим аксиому б). Пусть - семейство множеств, где U α Ω для любого индекса α из J. Каждое множество U α является объединением некоторой совокупности множеств из β: где V α,γ β для каждого индекса α J и каждого индекса γ G. Тогда , т.е. множество является объединением некоторой совокупности множеств из β и, следовательно, принадлежит семейству Ω. Для проверки аксиомы в) достаточно показать, что пересечение любых двух множеств U, из Ω. принадлежит Ω. Представим множества U, в следующем виде: где V γ β для каждого γ G, δ β для каждого δ D. Рассмотрим пересечение . Сначала убедимся в том, что каждое множество вида V γ δ принадлежит Ω. Действительно, для любой точки х V γ δ по условию теоремы найдется множество W x β такое, что х W x V γ δ . Следовательно, множество V γ δ = . Полученное равенство показывает, что множество V γ δ Ω как объединение некоторого семейства множеств из совокупности β. Поэтому множество U есть объединение некоторого семейства множеств, принадлежащих Ω, и значит, в силу аксиомы б), U Ω. Таким образом, семейство Ω удовлетворяет аксиомам а) - в) топологического пространства, т.е. является топологией на X, а покрытие β служит для Ω, по определению, базой.

Теорема доказана.

Заметим, что в доказательстве теоремы 1.10 указан способ построения топологии на X, если задано покрытие β, удовлетворяющее условию теоремы.

Можно ли сконструировать топологию на X, если задано произвольное покрытие ? Ответ на этот вопрос дает следующая теорема.

Теорема 1.11.

Пусть - произвольное покрытие множества X. Тогда семейство всевозможных конечных пересечений элементов из S образует базу некоторой топологии на X.

Доказательство. Проверим, что покрытие где К - произвольное конечное подмножество из I, удовлетворяет критерию базы. Заметив, что пересечение любых двух элементов семейства β снова является элементом семейства β, применим теорему 1.10: для любых множеств U α , V β , принадлежащих β, положим V γ = V α V β . Тогда V γ β как пересечение конечного числа множеств из S. Следовательно, для любой точки х V α V β имеем: х V γ = (V α V β). Таким образом, в силу теоремы 1.10, β является базой некоторой топологии на X.

Теорема доказана.

Семейство γ открытых подмножеств пространства (X,Ω) называется предбазой топологии Ω, если семейство β, состоящее из всевозможных конечных пересечений множеств из γ, образует базу топологии Ω.

Теорема 1.11 утверждает, что каждое покрытие множества X является предбазой некоторой топологии на X.

Очевидно, всякая база пространства является и его предбазой. Как правило, у топологии есть много баз и предбаз. Предпочтение может быть отдано той или иной из них в зависимости от решаемой задачи.

Множество называется топологическим пространством , когда задано определённое семейство его открытых подмножеств , удовлетворяющее аксиомам. Возможно много способов задания структуры топологического пространства на одном множестве: от дискретной до нехаусдорфовой «антидискретной (=тривиальной) топологии », склеивающей все точки вместе.

Базовые понятия теории множеств (множество , функция , ординальные числа и кардинальные числа , аксиома выбора , лемма Цорна и т.д.) не являются предметом общей топологии, но активно ею используются. Общая топология включает в себя следующие разделы: свойства топологических пространств и их отображений, операции над топологическими пространствами и их отображаениями, классификация топологических пространств.

Общая топология включает в себя теорию размерности .

История

Общая топология зародилась в конце XIX в. и оформилась в самостоятельную математическую науку в начале XX в . Основополагающие работы принадлежат Ф. Хаусдорфу , А. Пуанкаре , П. С. Александрову , П. С. Урысону , Л. Брауэру . В частности, была решена одна из главных задач общей топологии - нахождение необходимых и достаточных условий метризуемости топологического пространства.

Наиболее бурное развитие общей топологии как самостоятельной ветви знания происходило в середине ХХ в., в начале же XXI в . она скорее является вспомогательной дисциплиной, "обслуживающей" своим понятийным аппаратом многие области математики: топологию, функциональный анализ, комплексный анализ, теорию графов и т.д..

См. также

Замечания

• Понятие предела функции, вводимое в общей топологии, допускает дальнейшее обобщение в рамках теории псевдотопологических пространств.

Литература

• П. С. Александров, В. В. Федорчук, В. И. Зайцев Основные моменты в развитии теоретико-множественной топологии
• Александров П. С. Введение в теорию множеств и общую топологию - М .: Наука , 1977
• Архангельский А. В., Пономарёв В. И. Основы общей топологии в задачах и упражнениях - М .: Наука , 1974
• Бурбаки Н. Элементы математики. Общая топология. Основные структуры - М .: Наука , 1968
• Келли Дж. Л. Общая топология - М .: Наука , 1968
• Энгелькинг Р. Общая топология - М .: Мир, 1986
• Виро О. Я., Иванов О. А., Харламов В. М., Нецветаев Н. Ю. Элементарная топология . Учебник в задачах (рус., англ.)

Wikimedia Foundation . 2010 .

• ГУЛАГ
• Топологическое пространство

Смотреть что такое "Общая топология" в других словарях:

ОБЩАЯ ТОПОЛОГИЯ - ветвь геометрии, посвященная исследованию непрерывности и предельного перехода на том естественном уровне общности, к рый определяется природой этих понятий. Исходными понятиями О. т. являются понятия топологического пространства и непрерывного… … Математическая энциклопедия

Общая алгебра - (также абстрактная алгебра, высшая алгебра) раздел математики, изучающий алгебраические системы (также иногда называемые алгебраическими структурами), такие как группы, кольца, поля, частично упорядоченные множества, решётки, а также… … Википедия

Топология - Не следует путать с топографией. У этого термина существуют и другие значения, см. Топология (значения). Лента Мёбиуса поверхно … Википедия

Топология - (от греч. tоpos место и …логия (См. ...Логия) часть геометрии, посвященная изучению феномена непрерывности (выражающегося, например, в понятии предела). Разнообразие проявлений непрерывности в математике и широкий спектр различных… … Большая советская энциклопедия

Топология Зарисского - Эту статью следует викифицировать. Пожалуйста, оформите её согласно правилам оформления статей. Топология Зарисского в алгебраической геометрии специальная топология, отражающая алгебраическую при … Википедия

ТОПОЛОГИЯ - раздел математики, занимающийся изучением свойств фигур (или пространств), которые сохраняются при непрерывных деформациях, таких, например, как растяжение, сжатие или изгибание. Непрерывная деформация это деформация фигуры, при которой не… … Энциклопедия Кольера

Общая точка (математика) - У этого термина существуют и другие значения, см. Общая точка. Общая точка точка топологического пространства, замыкание которой совпадает со всем пространством. Топологическое пространство, имеющее общую точку, является неприводимым… … Википедия

топология - Физическое или логическое распределение узлов сети. Физическая топология определяет физические связи (каналы) между узлами. Логическая топология описывает возможные соединения между сетевыми узлами. В локальных сетях наиболее распространены три… … Справочник технического переводчика

ТОПОЛОГИЯ - в широком смысле область математики, изучающая топологич. свойства разл. матем. и физ. объектов. Интуитивно, к топологич. относятся качественные, устойчивые свойства, не меняющиеся при деформациях. Матем. формализация идеи о топологич. свойствах… … Физическая энциклопедия

Общая теория систем - (теория систем) научная и методологическая концепция исследования объектов, представляющих собой системы. Она тесно связана с системным подходом и является конкретизацией его принципов и методов. Первый вариант общей теории систем был… … Википедия

Книги

• Общая топология. Основные структуры , Н. Бурбаки. В этом новом издании сделано довольно большое число изменений в деталях; кроме того, переделан весь план гл. I и II с целью расположить материал в лучшем соответствиис общими представлениями…

Курсовая работа

на тему: «Элементы общей топологии»

Введение

Топология – одна из самых молодых ветвей геометрии. Топология является одним из самых абстрактных разделов современной математики. Примерно за сто лет её существования в ней достигнуты результаты, важные для многих разделов математики.

Топология (от греческого «τοποξ» – место, окрестность, «λογοξ» – закон) – раздел математики, изучающий идеи непрерывности. В топологии впервые даются строгие определения таких фундаментальных понятий геометрии, как линия и поверхность. Предметом топологии являются свойства фигур, сохраняющиеся при гомеоморфизмах, то есть взаимно однозначных и непрерывных в обе стороны отображениях. Топология, как наука возникла из потребностей связанных с математическим анализом. Эта наука, хотя и считается молодой, на самом деле известна уже давно, именно благодаря тесным связям с математическим анализом. Идеи топологии идут от работ таких крупных математиков 19 в. как Риммман, Пуанкаре, Кантор, Эйлер. Развитие топологии идёт бурными темпами и в большом числе направлений, этот процесс не окончен в настоящее время, хотя ряд крупных проблем, стоящих перед топологией, успешно решен. Топологические методы стали мощным инструментом математического исследования. Топологический подход позволяет упростить многие доказательства фундаментальных теорем классической математики и обобщить эти теоремы на более широкие классы пространств.

Геометрия школьного курса имеет дело в основном со свойствами фигур, связанными с понятиями длины, площади, объема-то есть метрическими свойствами фигур. Лишь очень немногие теоремы и задачи школьного курса геометрии рассматривают свойства иного характера. Топология как раз и является разделом геометрии, изучающим свойства фигур, которые могут быть установлены без измерения и сравнения величин, но при этом имеющие геометрический смысл.

Целью первой главы курсовой работы было рассмотреть основные элементы общей топологии.

· дать определение топологического пространства;

· рассмотреть свойства топологических пространств;

· охарактеризовать топологические преобразования.

Во второй главе работы мы попытались рассмотреть топологические свойства поверхностей. Были поставлены следующие задачи:

· дать определение двумерного многообразия;

· рассмотреть эйлерову характеристику поверхности;

· охарактеризовать ориентируемые и неориентируемые поверхности.

1. Элементы общей топологии

1.1 Понятие топологического пространства

1.1.1 Понятие метрического пространства

Определение 1. Декартово произведение множеств А и В определяется как множество всех упорядоченных пар (х, у), где хÎА, уÎВ, то есть

А´В = {(х, у)| хÎА, уÎВ}.

В частности, возможно А = В.

Определение 2. Говорят, что в множестве Х задана метрика r, если определено отображение

r: Х ´ Х ®R,

удовлетворяющее следующим аксиомам:

1. " х, у Î Х {r (х, у) ³ 0}, причем r (х, у) = 0 Û х = у.

2. " х, у Î Х {r (х, у) = r (у, х)}.

3. " х, у, zÎ Х {r (х, у) + r (у, z) ³r (х, z)}.

Условия 1, 2, 3 называются аксиомами метрики, при этом условие 2 называется аксиомой симметрии, а 3 – аксиомой треугольника.

Определение 3. Множество Х с заданной на нем метрикой r называется метрическим пространством и обозначается (Х, r).

В тех случаях, когда ясно, о какой метрике идет речь, метрическое пространство (Х,r) обозначают просто Х.

Число r(х, у) называют расстоянием между точками х и у в пространстве Х.

1.1.2 Примеры метрических пространств

Пример 1 . Определим для элементов произвольного непустого множества Х расстояние следующим образом:

Очевидно, аксиомы 1 – 3 выполняются, а, следовательно, (Х, r) – метрическое пространство.

Пример 2 . Множество действительных чисел R с расстоянием

r(х, у) = (у – х) 2 не является метрическим пространством.

Действительно не выполняется третья аксиома. Например, для трех точек 2, 3 и 4 получим:

r(2, 3) = (3 – 2) 2 = 1, r(3, 4) = (4 – 3) 2 = 1,

r(2, 4) = (4 – 2) 2 = 4 и r(2, 3) + r(3, 4) < r(2, 4).

Определение 1. Пусть (Х, r) – метрическое пространство, х 0 Î Х,

r > 0– действительное число. Назовём открытым шаром с центром в точке х 0 и радиусом r множество

U (x 0 , r) = {x | xÎX, r (x, x 0)

Определение 2. Подмножество GÌ Х будем называть открытым в

(Х, r), если любая его точка является центром некоторого открытого шара, содержащегося в G.

Пустое множество Æ также считаем открытым множеством.

Определение 3. Окрестностью точки Аметрического пространства будем называть любое открытое множество, содержащее эту точку.

Обозначим совокупность всех открытых множеств в (Х, r) просто Ф r .

Тогда имеет место следующая теорема.

Теорема. 1) Объединение любой совокупности {G a } множеств из Ф r принадлежит Ф r .

2) Пересечение любых двух множеств G 1 и G 2 из Ф r принадлежит Ф r .

G 1 ÇG 2 Î Ф r .

3) Метрическое пространство Х – открытое множество, то есть

Х Î Ф r , ÆÎ Ф r .

Доказательство. 1) Пусть

Возьмём произвольную точку х 0 ÎG. Тогда существует такое a 0 , что х 0 Î

U (х 0 , r 0) Ì

Итак, G– открытое множество.

2) Пусть G = G 1 ÇG 2 , где G 1 , G 2 Î Ф r и G

Если х 0 ÎG, то х 0 ÎG 1 и х 0 ÎG 2 .

Тогда существуют такие радиусы r 1 и r 2 , что

U(х 0 , r 1) ÌG 1, U(х 0 , r 2) ÌG 2 .

Обозначим r= min{r 1 , r 2 }, тогда

U (х 0 , r) ÌG 1 ÇG 2 = G.

Итак, G – открытое множество.

3. Так как всегда можно представить

где U a – открытый шар радиуса r, с центром в точке

В дальнейшем описанное нами семейство Ф r всех открытых множеств в метрическом пространстве (Х, r) будем называть топологией, индуцированной метрикой r в Х. .

1.1.3 Определение и примеры топологических пространств

Многие понятия теории метрических пространств (предел, предельная точка, точка прикосновения, замыкание множества, граница множества, непрерывность и т.д.) вводятся, опираясь на понятие окрестности или, что тоже самое, на понятие открытого множества. Понятие окрестность и открытое множество определяются с помощью метрики.

Свойства открытых множеств метрического пространства принимаются в качестве аксиом. Этот путь приводит нас к топологическим пространствам, по отношению к которым метрические пространства представляют собой частный случай.

Определение 1. Пусть Х – непустое множество элементов произвольной природы, Ф = {

1. Само множество Х и пустое множество Æ принадлежат семейству Ф.

2. Объединение любого семейства множеств из Ф также принадлежит Ф.

3. Пересечение любых двух множеств из Ф также принадлежит Ф.

Тогда семейство Ф называется топологией или топологической структурой.

Пара (Х, Ф) или, другим словами, множество Х, в котором задана некоторая топология, называется топологическим пространством.

Элементы множества Х называются точками топологического пространства, элементы семейства Ф называются открытыми множествами в (Х, Ф).

Когда не может возникнуть недоразумений, разрешается просто писать: Х – топологическое пространство, G

Примеры топологических пространств.

Пример 1. Х – произвольное множество. Из аксиомы 1 топологического пространства вытекает, что среди открытых множеств любой топологической структуры в Х обязательно должны быть пустое множество Æ и само множество Х. Очевидно, что для семейства

Ф т = {Æ, X},

которое состоит лишь из этих двух множеств, выполняются также и аксиомы 2 и 3.

Поэтому Ф т = {Æ, X} является простейшей топологической структурой в Х. Эта топология называется тривиальной, а пара (Х, Ф) тривиальным топологическим пространством. Иногда эту пару называют антидискретным топологическим пространством.

Пример 2. Другой крайностью является так называемое дискретное топологическое пространство (Х, Ф d), где Ф d представляет собой семейство всех подмножеств множества Х. Очевидно, что и в этом случае все аксиомы 1 – 3 выполняются.