LAUREA IN MATEMATICA Esame di profitto di Geometria 2 Modulo di Topologia marzo 2013 1. Si consideri il sottospazio X del piano topologico euclideo E2 che ha sostegno nell’insieme di punti S F S (x, 0) : −1 ≤ x ≤ 1 (0, ±1) , n∈N, n>1 Cn dove Cn denota la circonferenza di centro (0, 0) e raggio 1 − n1 . Individuare l’affermazione corretta: (a) X è uno spazio connesso; (b) X ha tre componenti connesse, precisamente Y , (0, −1) e (0, 1) , dove si è posto F S Y := n∈N, n>1 Cn (x, 0) : −1 ≤ x ≤ 1 ; (c) X ha infinite componenti connesse; (d) esiste una funzione continua γ : [−1, 1] → X (un ”cammino”) tale che γ(−1) = (0, −1) e γ(1) = (0, 1). F Soluzione. L’unione n∈N, n>1 Cn sostiene un sottospazio con infinite componenti connesse (le singole circonferenze Cn ), ma Y è connesso perché il sottoinsieme Z := (x, 0) : −1 ≤ x ≤ 1 interseca ogni singola Cn . Tuttavia Y non è una componente connessa di X 1 e (0, 1) = perché non un chiuso di X: infatti, (0, −1) = lim 0, −1 + n→∞ n limn→∞ 0, 1− n1 cosicché Y è denso in X e si può concludere che X è connesso. Per completezza dimostriamo che la (d) è falsa. Si supponga per assurdo che un cammino γ del tipo specificato in (d) esista e si ponga T := γ −1 (0, 1) . Poiché γ è una funzione continua, T è un chiuso in [−1, 1], ma si può mostrare che è anche un aperto. Infatti, la continuità di γ in un qualunque t ∈ T richiede che per ogni intorno sferico B (0, 1), r di centro (0, 1) e raggio r di E2 esista un intervallo ] t − s, t + s [ tale che γ ] t − s, t + s [ ⊆ B (0, 1), r ∩ X. Se il raggio r dell’intorno sferico è tale che B (0, 1), r ∩ Z = ∅ (per esempio r < 1), il sottoinsieme γ ] t − s, t + s [ di B (0, 1), r ∩ X, in quanto sostegno di un sottospazio connesso, non può contenere altri punti oltre (0, 1) perché (0, 1) è componente connessa di B (0, 1), r ∩ X. Ne deduciamo che γ ] t − s, t + s [ = (0, 1) e, conseguentemente, ] t − s, t + s [ ⊆ T , cioè T è un sottoinsieme non vuoto dell’intervallo [−1, 1] che risulta, oltre che chiuso, aperto essendo ogni suo punto t interno a T ; quindi T dovrebbe esaurire l’intervallo [−1, 1], ma ciò contraddice il fatto che γ(−1) = (0, −1). 1 2. Lo spazio proiettivo P M(2, C) , determinato dallo spazio vettoriale complesso delle matrici 2 × 2 a coefficienti in C, come spazio topologico quoziente dello spazio topologico euclideo M(2, C) ' C4 ' E8 , • si decompone in 3 componenti connesse; • è unione disgiunta di 3 sottospazı̂ omeomorfi a E6 , E4 ed S2 , rispettivamente. Le precedenti affermazioni sono: (a) ambedue vere; (b) la prima è vera, la seconda è falsa; (c) la prima è falsa, la seconda è vera; (d) ambedue false. Soluzione. Lo spazio proiettivo P M(2, C) , come quoziente di uno spazio topologico connesso è essostesso connesso. Poiché la C-dimensione vettoriale di M(2, C) è 4, P M(2, C) è essenzialmente lo spazio proiettivo CP3 , ovvero l’unione disgiunta C3 ∪ CP2 , identificabile con l’unione disgiunta E6 ∪ E4 ∪ S2 , ove si tenga conto delle equivalenze topologiche C3 ≡ E6 e CP2 ≡ C2 ∪ CP1 e del fatto che C2 ≡ E4 e CP1 ≡ S2 . 3. Si denoti con X il prodotto topologico [0, 1] × [0, 1] di due copie del sottospazio [0, 1] della retta topologica euclidea. Si considerino le famiglie di sottoinsiemi di X: D1 := [0, 1 − ε [ × ] ε, 1] : 0 < ε < 1 , D2 := ] ε, 1] × [0, 1 − ε [: 0 < ε < 1 , e si ponga D := D1 ∪ D2 . Individuare l’affermazione corretta: (a) D è un ricoprimento di aperti di X; (b) D non copre i punti (0, 0) e (1, 1); (c) ci sono infiniti membri di X non ricoperti da D; (d) un numero finito di membri di D non sono sufficienti a ricoprire l’aperto ] 13 , 23 [ × ] 13 , 23 [ di X. Soluzione. Se (a, b) è un punto di X con a 6= 1 e b 6= 0, allora (a, b) sta in ciascun membro [0, 1 − ε [ × ] ε, 1] di D per ogni numero reale positivo ε minore sia 1 − a che di b, mentre se (a, b) è un punto di X con a 6= 0 e b 6= 1, allora (a, b) sta in ] ε, 1] × [0, 1 − ε [ per ε minore sia a che di 1 − b : ne consegue che gli unici punti di X non coperti da D sono (0, 0) e (1, 1). Infine si osservi che per ε < 13 già [0, 1 − ε [ × ] ε, 1] copre ] 13 , 23 [ × ] 13 , 32 [ . 4. Nello spazio topologico eucldeo E2 si consideri il sottospazio X avente sostegno nell’insieme (x, y) ∈ R2 : (x − y + 1, x + y − 1) ∈ S1 . Individuare l’affermazione falsa: (a) X è connesso; (b) X è compatto; 2 (c) X è omeomorfo al sottospazio di E2 avente sostegno nell’ellisse di equazione x2 + 4y 2 = 4; (d) una delle precedenti affermazioni è falsa Soluzione. La funzione (x, y) 7→ (x − y + 1, x + y − 1) definisce un omeomorfismo E2 → E2 in quanto le sue componenti sono polinomi di grado 1 non proporzionali (Rouché-Capelli): ne consegue che X è omeomorfo ad S1 per cui le affermazioni (a) e (b) sono corrette, ma anche l’affermazione (c) è corretta perché (x, y) 7→ (2x, y) dà un omeomorfismo tra S1 e l’ellisse d’equazione x2 + 4y 2 = 4. 5. Si consideri lo spazio topologico quoziente Y ottenuto identificando nel sottospazio del piano topologico euclideo avente sostegno nell’insieme (x, y) ∈ R2 : |x| ≤ 1, |y| = 1 il punto (−1, −1) col punto (−1, 1) ed il punto (1, −1) col punto (1, 1). Individuare l’affermazione corretta: (a) Y privato di uno qualsiasi dei suoi punti è sconnesso; (b) Y è omeomorfo al sottospazio della retta euclidea avente sostegno in [0, 1]; (c) Y è omeomorfo alla compattificazione di Alexandrof della retta euclidea; (d) le precedenti affermazioni sono false. Soluzione. Poiché X è unione disgiunta dei chiusi C1 = {(x, y) ∈ X : y = 1} e C2 = {(x, y) ∈ X : y = −1} di E2 , ( √ se (x, y) ∈ C1 x, 1 − x2 √ (x, y) 7→ 2 x, − 1 − x se (x, y) ∈ C2 è una ben posta funzione f : X → S1 che risulta continua perché le sue componenti sono funzioni continue aventi per dominio un chiuso. Inoltre f è palesemente suriettiva, ma anche chiusa essendo X compatto ed S1 di Hausdorff. Quindi f è una identificazione e, tenuto √ conto che f (x1 , y1 ) = f (x2 , y2 ) √ esattamente quando x1 = x2 e 1 − x2 = − 1 − x2 , cioè per x1 = x2 = ±1, possiamo concludere che Y è omeomorfo ad S1 . 6. Si denoti con X lo spazio topologico avente sostegno in R2 e topologia T = ∅, R2 ∪ A ⊂ R2 : A ∩ (Z × Z) = ∅ . Denotati con Q◦ , Q ed F(Q), rispettivamente, la parte interna, la chiusura e la frontiera del quadrato Q = [0, 1] × [0, 1], individuare l’affermazione corretta: (a) Q◦ = (0, 1) × (0, 1); (b) Q = R2 ; (c) F(Q) = Z × Z; (d) le precedenti affermazioni sono false. 3 Soluzione. Si verifica facilmente che il più grande aperto di X contenente Q è Q privato dei punti (0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1). Inoltre, essendo i chiusi di X tutti e soli i sottoinsiemi che contengono Z × Z, il più piccolo chiuso di X che contiene Q è Q ∪ (Z × Z). Possiamo allora concludere che: • Q◦ = Q \ {(0, 0), (0, 1), (1, 0), (1, 1)}, • Q = Q ∪ (Z × Z), • F(Q) = Q \ Q◦ = Z × Z. 4