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pregunta relacionada con el homeomorfismo, cómo demostrar que dos espacios son homeomorfos entre sí o no

Tengo dificultades para resolver las dos preguntas siguientes.

1) Para la primera pregunta, el autor del texto afirma que si $f:[a,b]\rightarrow R$ es un mapa, entonces $\text{Im} f$ es un intervalo cerrado y acotado.

Pregunta: Que $X \subseteq R$ et $X$ es la unión de los intervalos abiertos $(3n, 3n+1)$ y los puntos $3n+2,\text{ for } n= 0,1,2,\dots$ . Sea $Y=(X-\{2\})\cup \{2\}$ . Demostrar que existen biyecciones continuas $f:X\rightarrow Y, g:Y\rightarrow X$ pero que $X, Y$ no son homeomórficos.

Puedo crear la biyección desde $X\text{ to }Y$ et $Y\text{ to }X$ .

Desde $X\text{ to }Y$ , yo mapearía $\{2\}\text{ to }\{1\}$ y todo lo demás sería mapeado a sí mismo, por lo que obtengo tanto un mapeo inyectivo como un mapeo subjetivo. De la $Y\text{ to }X$ dirección, yo sólo mapearía $\{1\}\text{ to }\{2\}$ y todo lo demás se asignaría a sí mismo. Vuelvo a obtener un mapeo biyectivo Pero, ¿cómo puedo mostrar ese mapa desde $X\text{ to }$ Y también $Y\text{ to }X$ ¿son ambos continuos? $X$ se compone de intervalos abiertos y monotonales, al igual que el conjunto $Y$ . ¿Se supone que debo imponer algún tipo de topología en $X\text{ and }Y$ y luego describir los elementos de base? Además, ¿por qué los conjuntos $\text{Im }F\text{ and Im }g$ ¿no está acotado o cerrado?

Para el segundo problema:

Construir el homeomorfismo $f:[0,1]\times[0,1]\rightarrow[0,1]\times[0,1]$ tal que $f$ mapas $[0,1]\times\{0,1\} \cup \{0\}\times[0,1]$ en $\{0\}\times[0,1]$ .

Mis dificultades con esta pregunta son:

¿Debo interpretar $[0,1]\times\{0,1\} \cup \{0\}\times[0,1]$ para significar $([0,1]\times\{0,1\}) \cup (\{0\}\times[0,1])$ ? Si es así, entonces $([0,1]\times\{0,1\}) \cup (\{0\}\times[0,1])$ es un subconjunto de $([0,1] \cup \{0\})\times(\{0,1\} \cup [0,1])$ por una propiedad del producto cartesiano. No estoy seguro de cómo proceder a partir de aquí.

Gracias de antemano

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DiGi Puntos 1925

Para la primera pregunta, tiene $$X=\bigcup_{n\in\Bbb N}(3n,3n+1)\cup\{3n+2:n\in\Bbb N\}$$ y $Y=\big(X\setminus\{2\}\big)\cup\{1\}$ . Así, $$X=(0,1)\cup\{2\}\cup(3,4)\cup\{5\}\cup(6,7)\cup\{8\}\cup\ldots\;,$$ y $$Y=(0,1]\cup(3,4)\cup\{5\}\cup(6,7)\cup\{8\}\cup\ldots\;.$$ Hay que considerar cada uno de estos espacios con la topología que hereda de la topología habitual de $\Bbb R$ . Su biyección

$$f:X\to Y:x\mapsto\begin{cases}1,&\text{if }x=2\\ x,&\text{if }x\ne 2 \end{cases}$$

es, de hecho, continua con respecto a estas topologías, y esto no debería ser muy difícil de demostrar: el único punto de $x$ a la que posiblemente podría no ser continuo es $2$ y demostrar que $f$ es continua en $2$ En cuanto a la continuidad, utilice la definición de continuidad que tenga disponible.

Obtener una biyección continua $g:Y\to X$ es un poco más difícil. Una pista: encontrar una biyección continua $h:(0,1]\cup(3,4)\to(0,1)$ y luego definir

$$g:Y\to X:y\mapsto\begin{cases} h(y),&\text{if }y\in(0,1]\cup(3,4)\\ y-3,&\text{otherwise}\;. \end{cases}$$

No intentes ser elegante con $h$ La idea más sencilla es la que funciona.

Por último, tendrá que demostrar que $X$ y $Y$ no son homeomórficos. La clave es el punto $1\in Y$ . Supongamos que se tiene un homeomorfismo $h:Y\to X$ y pregúntese dónde $h(1)$ puede ser. Demuestre primero que no puede ser uno de los puntos aislados de $X$ (por ejemplo, $2,5,8$ ). Entonces demuestre que no puede estar en ninguno de los intervalos abiertos $(3n,3n+1)$ tampoco; para esto querrás usar la conectividad. Por ahora no voy a decir cómo, pero si te quedas atascado, por favor pregunta.

Gerry Myerson ha explicado en los comentarios lo que se plantea en la segunda pregunta, así que la dejaré en paz a menos que tenga más preguntas.

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