LAUREA IN MATEMATICA Esame di profitto di Geometria 2 Modulo di Topologia aprile 2014 1. Si considerino gli spazı̂ topologici X 0 = (R; T 0 ) e X 00 = (R, T 00 ), dove T 0 denota la topologia discreta di R e S T 00 = ∅, R ]− x, x [ : x ∈ R+ Supposto che f : X 0 → X 00 sia una funzione continua, indicare tra le seguenti condizioni su f quella incompatibile con i dati: (a) f è iniettiva; (b) f è suriettiva; (c) f (X 0 ) è un sottospazio compatto di X 00 ; (d) f (X 0 ) non è un sottospazio connesso di X 00 . Soluzione: Tenuto conto che ogni funzione con dominio discreto è continua e che ogni sottospazio di X 00 non è decomponibile in due aperti disgiunti, si vede che la (a) e la (b) sono condizioni compatibili con i dati, mentre la (d) non lo è. D’altronde anche la (c) è una condizione compatibile, per esempio f (X 0 ) è un sottospazio compatto di X 00 se f è una funzione costante. 2. Si denoti con Y il sottospazio dello spazio topologico euclideo C2 ≡ E4 che ha sostegno nell’insieme (x, y) ∈ C2 : xx̄ + y ȳ = 1 . Denotati con <(z) e =(z) le componenti reale ed immaginaria del numero complesso z, cioè z = <(z) + =(z)i, si consideri su Y la relazione di equivalenza: (x, y) ∼ (x0 , y 0 ) ⇐⇒ (x0 , y 0 ) = ±(x, y) oppure <(x) = =(x) = <(y) = <(x0 ) = =(x0 ) = <(y 0 ) = 0. Tra le seguenti affermazioni riguardanti lo spazio quoziente X := Y /∼ individuare quella falsa: (a) è possibile definire una relazione di equivalenza sul disco D3 tale che il corrispondente spazio quoziente sia omeomorfo ad X; (b) X è uno spazio topologico metrizzabile; (c) X contiene un sottospazio omeomorfo ad S2 ; (d) una delle precedenti affermazioni è falsa. Soluzione: Si ha 1 • L’equazione xx̄ + y ȳ = 1 si riscrive <(x)2 + =(x)2 + <(y)2 + =(y)2 = 1, cioè Y è la sfera S3 dello spazio euclideo E4 . • Anche lo spazio topologico quoziente X è omeomorfo a S3 ; più precisamente, proiettando i punti di Y da (0, 0) abbiamo un’identificazione f : Y → S sul sottospazio S di C2 che ha sostegno nell’insieme di punti o n 2 (x, y) ∈ C2 : <(x)2 + =(x)2 + <(y)2 + =(y) + 21 = 14 la sfera di centro 0, 0, 0, − 12 e raggio 12 . Poiché due punti di Y hanno la stessa immagine in f esattamente quando appartengono alla stessa classe d’equivalenza, resta definita una biezione g : X S tale che f = gπ, se π denota la proiezione canonica Y → X. La teoria allora ci assicura che g è un omeomorfismo tra X ed S ' S3 . • Quozientando il disco D3 rispetto alla sua frontiera si ottiene S3 . Con le informazioni acquisite la (b) e la (c) affermano, rispettivamente, che S3 è uno spazio metrizzabile contenente S2 , affermazioni palesemente vere. 3. Dei seguenti spazı̂ topologici: • il piano proiettivo CP2 ; • il sottospazio Q2 del piano euclideo E2 ; • il sottospazio SL(2, R) delle matrici di determinante 1 dello spazio euclideo M(2, R) delle matrici 2 × 2 a coefficienti in R; quelli che risultano localmente compatti (a) (b) (c) (d) 1 sono: il primo ed il secondo; il secondo ed il terzo; il primo ed il terzo; tutti e tre. Soluzione. La chiusura di un intorno è compatta in ogni spazio topologico compatto, in particolare in CP2 . Inoltre, i punti con coordinate razionali di un intorno di un punto p ∈ Q2 non formano mai un chiuso di E2 , per cui non può esserci alcun intorno compatto di p in Q2 . Infine si osservi che SL(2, R) è unione di due aperti, precisamente ! ) ( x12 x11 1 1 2 ∗ 2 : x1 , x2 , x1 ∈ R × E A1 = 1+x12 x21 x21 x1 1 e ( A2 = x11 x11 x22 −1 x12 x12 x22 ) ! : x12 , x11 , x21 ∗ 2 ∈R ×E , perché almeno uno tra x11 e x12 deve essere invertibile: A1 che A2 sostengono sottospazı̂ di SL(2, R) ambedue omeomorfi al prodotto topologico R∗ × E2 , uno spazio localmente compatto (basta fare la chiusura degli intorni sferici, per avere intorni compatti). 1 Ricordiamo che uno spazio topologico si dice localmente compatto se ogni suo punto ha un intorno compatto. 2 4. Sia X lo spazio topologico avente sostegno in R e topologia T = {∅, R} ∪ {A ⊂ R : A ∩ Q = ∅}. Individuare l’affermazione falsa: (a) X è compatto; (b) X è connesso; (c) il sottospazio Y di X avente sostegno in R \ Q è sconnesso ; (d) una delle precedenti affermazioni è falsa. Soluzione. Essendo R l’unico aperto di X che interseca Q, ogni ricoprimento di X con aperti deve avere R tra i suoi membri e, inoltre, non esiste una decomposizione di X in due aperti non vuoti. Infine, Y è totalmente sconnesso perché è un sottospazio discreto. 5. Sia X lo spazio topologico dell’esercizio precedente. Tra le seguenti affermazioni riguardanti la funzione f : X → E1 , x 7→ x + 1, individuare quella corretta: (a) f è continua; (b) f è chiusa; (c) f è aperta; (d) ciascuna delle precedenti affermazioni è falsa. Soluzione. Poiché f è suriettiva ed X è compatto, un’eventuale continuità di f implicherebbe di E1 , ma non è cosı̀. Inoltre le condizioni √ √ la compattezza f (Q) = Q e f ( 2) = 1 + 2 ci dicono che f non trasforma ciascun chiuso di X in un chiuso di E1 , né ogni aperto di X in un aperto di E1 . 6. Sia X lo spazio topologico avente sostegno in R e topologia generata dalla famiglia {[a, b [ : a, b ∈ R}. Denotato con Y lo spazio topologico √ avente sostegno in R e topologia indotta da X attraverso la funzione p : x 7→ 3 x, individuare l’affermazione corretta: (a) Y è compatto; (b) Y è connesso; (c) Y è di Hausdorff ; (d) ciascuna delle precedenti affermazioni è falsa. Soluzione. Essendo p una biiezione, gli spazı̂ topologici X ed Y sono omeomorfi e quindi Y ha le stesse proprietà di X: Y è uno spazio di Hausdorff che non è né compatto né connesso. 3