A. A. 2006-07 - ESAME DI PROFITTO DI GEOMETRIA 2 - luglio 2007 C.d.L. in Matematica - II Modulo C.d.L. in M.I.C.S. - I Modulo 1. Si consideri il gruppo G costituito dalle quattro trasformazioni del piano topologico euclideo E2 (x1 , x2 ) 7→ (ε1 x1 , ε2 x2 ) (εi = ±1). Tra le seguenti affermazioni riguardanti lo spazio di orbite X = E2 /G individuare l’unica che risulta corretta: (a) X è omeomorfo alla retta proiettiva reale P1 ; (b) X è omeomorfo al piano proiettivo reale P2 ; (c) X è omeomorfo alla bottiglia di Klein; (d) X non è omeomorfo ad alcuno dei precedenti spazı̂ . Soluzione: Ciascuno degli spazı̂ (a), (b) e (c) è uno spazio compatto mentre X non lo è: infatti gli intorni sferici o n p S(O, n) = (x, y) ∈ R2 : x2 + y 2 < n , con n intero positivo, formano un ricoprimento di aperti di E2 che risultano saturi rispetto alla proiezione canonica π : E2 → X e un numero finito di essi non è sufficente per ricoprire E2 . Ciò significa che © ª π(Sn ) : n ∈ N, n > 0 è un ricoprimento di aperti di X da cui non se ne può estrarre alcuno finito. 2. Tra le seguenti affermazioni riguardanti il sottoinsieme [ © ª M := (x, y) ∈ R2 : x − ny = 0, 0 ≤ x ≤ 1 . n∈N, n6=0 del piano topologico euclideo E2 individuare l’unica che risulta sbagliata: (a) M è un chiuso di E2 ; (b) M è un connesso di E2 ; (c) l’interiore di M è vuoto; (d) la frontiera di M contiene propriamente M . Soluzione: M consiste di segmenti aventi in comune l’estremo (0, 0) (e quindi M è connesso) col secondo estremo (1, n1 ) sulla retta x = 1. Questi punti (1, n1 ) costituiscono una successione convergente al punto (1, 0) 6∈ M . Questo ci dice che M non contiene tutti i suoi punti di aderenza e quindi non può essere un chiuso. D’altronde ogni intorno sferico di centro un punto di M non può essere contenuto in un insieme lineare qual è M ; dunque i punti di M sono tutti di aderenza sia per M che per il suo complementare, e lo stesso vale per il punto (1, 0). 3. Osservato che lo spazio prodotto X = N∗ × S1 può essere immerso nello spazio euclideo E3 , si individui tra le seguenti affermazioni l’unica che risulta sbagliata: (a) la topologia di X coincide con quella indotta dallo spazio euclideo E3 ; (b) X non è uno spazio connesso; (c) X è omeomorfo al sottospazio del piano topologico eucliedo E2 [ Y = FrS(O, n), n∈N∗ dove FrS(O, n) denota la frontiera dell’intorno sferico di E2 di centro O = (0, 0) e raggio n; (d) una delle precedenti affermazioni è falsa. Soluzione: La veridicità della prima affermazione segue dal fatto che la topologia prodotto di E1 × E2 coincide con quella di E3 .Chiaramente X non può essere connesso perché altrimenti lo sarebbe anche la sua proiezione su N∗ , che è invece uno spazio totalmente sconnesso in cui ogni punto costituisce una componente connessa. Un omeomorfismo X → Y si ottiene agevolmente associando al punto (n, s) ∈ X il punto ρn (s) di FrS(O, n), avendo indicato con ρn l’omeomorfismo esistente tra S1 e FrS(O, n). 4. Dotato R della topologia T dei complementari finiti, si consideri su S1 la topologia quoziente Tp rispetto alla funzione p : R → S1 , x 7→ (cos x, sin x). Individuare tra le seguenti affermazioni riguardanti lo spazio X = (S1 , Tp ) l’unica corretta: (a) X ha la topologia banale; (b) X contiene un sottospazio sconnesso; (c) ogni sottoinsieme finito di X è chiuso; (d) esiste un sottospazio della retta euclidea omeomorfo ad X. Soluzione: Poiché p è una funzione periodica, la pre-immagine A di un aperto non vuoto A0 di © X (A è quindi un apertoª saturo per p) è un sottoinsieme di R del tipo x + 2kπ : x ∈ L, k ∈ Z per qualche insieme di numeri reali L. Si capisce che il complementare di un tale aperto A non è mai finito, a meno che L = R, e ciò richiede che A0 deve esaurire tutti i punti di S1 . Ne segue che ogni sottospazio di X non può essere unione di due aperti disgiunti e che ogni sottoinsieme di cardinalità finita > 0 non può essere un chiuso. Infine la falsità dell’ultima affermazione segue dal fatto che gli unici sottospazi di E1 aventi topologia banale sono i singoli punti. 5. Siano Y = (R, T ) lo spazio topologico considerato nell’esercizio precedente ed f : Y → E1 una funzione continua. Individuare l’affermazione sbagliata: (a) f non può in alcun caso essere invertibile; (b) f è in ogni caso chiusa; (c) f è in ogni caso limitata; (d) una delle precedenti affermazioni è falsa. Soluzione: • Essendo i sottoinsiemi di cardinalità finita della retta euclidea dei chiusi, f trasforma certamente un chiuso di Y in un chiuso di E1 . • Se f fosse una funzione chiusa iniettiva, f (Y ) dovrebbe essere omeomorfo ad un sottospazio della retta euclidea e ciò è escluso dal fatto che Y non è uno spazio di Hausdorff. • Y è compatto per cui f (Y ) è un sottospazio compatto della retta euclidea, quindi un sottospazio limitato. 6. Si considerino lo spazio topologico euclideo Mat2×2 (R) delle matrici 2 × 2 a coefficienti reali, il suo sottospazio D2 delle matrici diagonali e lo spazio quoziente D2 /∼ ottenuto identificando le matrici di D2 aventi lo stesso determinante. Individuare tra le seguenti affermazioni l’unica che risulta sbagliata (a) D2 /∼ privato di uno qualsiasi dei suoi punti è sconnesso; (b) D2 /∼ è omeomorfo ad un quoziente di S1 ; (c) D2 /∼ è di Hausdorff; (d) una delle precedenti affermazioni è falsa. Soluzione: La funzione ·µ f : D2 /∼ −→ E1 , x 0 0 y ¶¸ 7→ xy ∼ è biunivoca con inversa ·µ f −1 : x 7→ ¶¸ x 0 0 1 ∼ che risulta essere continua in quanto composizione della funzione continua µ ¶ x 0 g : E1 −→ D2 , x 7→ 0 1 con l’identificazione π : D2 −→ D2 /∼, A 7→ [A]∼ . Inoltre, essendo f ◦ π continua, la teoria garantisce che lo è anche f . Quindi f è un omeomorfismo, da cui segue immediatamente che le risposte (a) e (c) sono corrette mentre la (b) non lo è, in quanto il quoziente di un compatto è ancora un compatto.