Analysis: Metrik und Topologie: Topologische Räume

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Ein paar Grundlagen der Topologie werden es uns erlauben, bestimmte Sachverhalte aus der Analysis in einem allgemeineren Rahmen zu formulieren.

Topologische Räume

Definition: Sei X eine beliebige Menge und 𝒯⊆𝔓(X) eine Menge von Teilmengen von X. Das Tupel (X,𝒯) heißt topologischer Raum mit der Topologie 𝒯, wenn gilt:

(enthält die leere Menge und den ganzen Raum) ∅,X∈𝒯
Abgeschlossenheit unter beliebiger Vereinigung: ∀ℳ⊆𝒯 ⋃ℳ∈𝒯
Abgeschlossenheit unter endlicher Durchschnittsbildung: ∀A,B∈𝒯 A∩B∈𝒯

Die Elemente von 𝒯 heißen offene Mengen und ihre Komplemente abgeschlossene Mengen. Jedes A⊆X, das x∈X enthält, heißt Umgebung von x.

Abgeschlossene Mengen

Offensichtlich hat die Menge 𝒜:={A⊂X:X∖A∈𝒯} der abgeschlossenen Mengen die zur Definition dualen Eigenschaften:

(enthält die leere Menge und den ganzen Raum) ∅,X∈𝒜
Abgeschlossenheit unter beliebiger Durchschnittsbildung: ∀ℳ⊆𝒜 ⋂ℳ∈𝒜
Abgeschlossenheit unter endlicher Vereinigung: ∀A,B∈𝒜 A∪B∈𝒜

Hausdorff-Räume

Definition: Ein topologischer Raum, in dem zu zwei beliebigen verschiedenen Punkten immer disjunkte offene Umgebungen existieren, heißt Hausdorff-Raum. In einem Hausdorff-Raum (X,𝒯) gilt also: ∀x,y∈X∃U,V∈𝒯(U∩V=∅∧x∈U∧y∈V).

Beispiele

Zu einer beliebigen Menge X gibt es immer die diskrete Topologie 𝔓(X), in der jede Menge zugleich offen und abgeschlossen ist, und die indiskrete Topologie {∅,X}, in der keine Menge außer der leeren und dem ganzen Raum offen oder abgeschlossen ist. Mit ersterer bildet X einen Hausdorff-Raum, mit zweiterer nicht (sofern X mindestens zwei Elemente besitzt).