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Espacio conectado

Subespacios conectados y desconectados de R ²

En topología y ramas relacionadas de las matemáticas , un espacio conectado es un espacio topológico que no puede representarse como la unión de dos o más subconjuntos abiertos no vacíos disjuntos . La conectividad es una de las principales propiedades topológicas que se utilizan para distinguir espacios topológicos.

Un subconjunto de un espacio topológico es unconjunto conectado si es un espacio conectado cuando se ve como unsubespaciode.

Algunas condiciones relacionadas pero más fuertes son conectadas por camino, conectadas simplemente y conectadas . Otra noción relacionada es la de conectado localmente , que no implica ni se deriva de la conexión.

Definicion formal

Se dice que un espacio topológico es desconectado si es la unión de dos conjuntos abiertos no vacíos disjuntos. En caso contrario,se dice que estáconectado.unsubconjuntode un espacio topológico es conexo si lo está bajo su topología subespacial. Algunos autores excluyen elconjunto vacío(con su topología única) como un espacio conexo, pero este artículo no sigue esa práctica.

Para un espacio topológico las siguientes condiciones son equivalentes:

  1. está conectado, es decir, no se puede dividir en dos conjuntos abiertos no vacíos y disjuntos.
  2. Los únicos subconjuntos que son abiertos y cerrados ( conjuntos cerrados ) son y el conjunto vacío.
  3. Los únicos subconjuntos de con límite vacío son y el conjunto vacío.
  4. no puede escribirse como la unión de dos conjuntos separados no vacíos (conjuntos en los que cada uno está separado del cierre del otro).
  5. Todas las funciones continuas desde hasta son constantes, donde está el espacio de dos puntos dotado de topología discreta .

Históricamente, esta formulación moderna de la noción de conectividad (en términos de no división en dos conjuntos separados) apareció por primera vez (de forma independiente) con NJ Lennes, Frigyes Riesz y Felix Hausdorff a principios del siglo XX. Consulte [1] para obtener más detalles.

Componentes conectados

Dado algún punto en un espacio topológico, la unión de cualquier colección de subconjuntos conectados de modo que cada uno de los contenidos vuelva a ser un subconjunto conectado. El componente conectado de un punto en es la unión de todos los subconjuntos conectados de que lo contiene es el único subconjunto conectado más grande (con respecto a ) de que contiene Los subconjuntos conectados máximos (ordenados por inclusión ) de un espacio topológico no vacío se llaman los componentes conectados del espacio. Los componentes de cualquier espacio topológico forman una partición de  : son disjuntos , no vacíos y su unión es el espacio completo. Cada componente es un subconjunto cerrado del espacio original. De ello se deduce que, en el caso de que su número sea finito, cada componente es también un subconjunto abierto. Sin embargo, si su número es infinito, este podría no ser el caso; por ejemplo, los componentes conectados del conjunto de los números racionales son los conjuntos de un punto ( singletons ), que no son abiertos. Prueba: dos números racionales distintos cualesquiera tienen componentes diferentes. Tome un número irracional y luego establezca y Entonces es una separación de y . Por tanto, cada componente es un conjunto de un punto.

Sea el componente conectado de en un espacio topológico y sea la intersección de todos los conjuntos abiertos que contienen (llamado cuasicomponente de ) Entonces , donde se cumple la igualdad si es compacto de Hausdorff o localmente conectado. [2]

Espacios desconectados

Un espacio en el que todos los componentes son conjuntos de un punto se llamatotalmente desconectado . Relacionado con esta propiedad, un espaciose llamatotalmente separados si, para dos elementos distintosyde, existenconjuntos abiertosque contienenycontienental quees la unión dey. Claramente, cualquier espacio totalmente separado está totalmente desconectado, pero lo contrario no se cumple. Por ejemplo, tome dos copias de los números racionalese identifíquelas en cada punto excepto cero. El espacio resultante, con latopología del cociente, está totalmente desconectado. Sin embargo, al considerar las dos copias de cero, se ve que el espacio no está totalmente separado. De hecho, ni siquiera esHausdorff, y la condición de estar totalmente separado es estrictamente más fuerte que la condición de ser Hausdorff.

Ejemplos

Un ejemplo de un espacio que no está conectado es un plano al que se le ha eliminado una línea infinita. Otros ejemplos de espacios desconectados (es decir, espacios que no están conectados) incluyen el plano al que se le ha quitado un anillo , así como la unión de dos discos cerrados disjuntos , donde todos los ejemplos de este párrafo llevan la topología subespacial inducida por euclidiana bidimensional. espacio.

Conectividad del camino

Este subespacio de R ² está conectado por caminos, porque se puede trazar un camino entre dos puntos cualesquiera en el espacio.

AEl espacio conectado por caminos es una noción más fuerte de conectividad, que requiere la estructura de un camino. Un camino desde un puntoa un puntoen unespacio topológicoes una función continuadesde elintervalo unitariohastawithy. A componente de ruta dees unaclase de equivalenciadebajo larelación de equivalenciaque haceequivalente asi hay una ruta dea.el espacioestáconectado por ruta(oconectado por rutaoconectado) si hay exactamente un componente de ruta. Para espacios no vacíos, esto equivale a afirmar que hay un camino que une dos puntos cualesquiera en. Nuevamente, muchos autores excluyen el espacio vacío.

Todo espacio conectado por camino está conectado. Lo contrario no siempre es cierto: ejemplos de espacios conectados que no están conectados por caminos incluyen la línea larga extendida y la curva sinusoidal del topólogo .

Los subconjuntos de la línea real están conectados si y sólo si están conectados por caminos; estos subconjuntos son los intervalos y rayos de . Además, los subconjuntos abiertos de o están conectados si y sólo si están conectados por ruta. Además, la conectividad y la conectividad de caminos son las mismas para espacios topológicos finitos .

Conectividad del arco

Se dice que un espacio está conectado en forma de arco o conectado en forma de arco si dos puntos cualesquiera, topológicamente distinguibles , pueden unirse mediante un arco , lo cual es una incrustación . Un componente de arco de es un subconjunto máximo conectado por arco de ; o de manera equivalente, una clase de equivalencia de la relación de equivalencia de si dos puntos pueden unirse mediante un arco o mediante un camino cuyos puntos son topológicamente indistinguibles.

Todo espacio de Hausdorff que está conectado por caminos también está conectado por arco; De manera más general, esto es cierto para un espacio de -Hausdorff , que es un espacio donde cada imagen de un camino está cerrada. Un ejemplo de un espacio que está conectado por caminos pero no por arco lo da la línea con dos orígenes ; sus dos copias de pueden estar conectadas por un camino pero no por un arco.

La intuición para los espacios conectados por caminos no se transfiere fácilmente a los espacios conectados por arcos. Sea la recta con dos orígenes . Los siguientes son hechos cuyos análogos son válidos para espacios conectados por caminos, pero no válidos para espacios conectados por arco:

Conectividad local

Se dice que un espacio topológico está conectado localmente en un punto si cada vecindad de contiene una vecindad abierta conectada. Está conectado localmente si tiene una base de conjuntos conectados. Se puede demostrar que un espacio está conectado localmente si y sólo si cada componente de cada conjunto abierto de está abierto.

De manera similar, se dice que un espacio topológico esconectado localmente por ruta si tiene una base de conjuntos conectados por ruta. Un subconjunto abierto de un espacio conectado por ruta local está conectado si y sólo si está conectado por ruta. Esto generaliza la afirmación anterior sobrey, cada uno de los cuales está conectado localmente por una ruta. De manera más general, cualquiervariedad topológicaestá conectada localmente por caminos.

La curva sinusoidal del topólogo es conexa, pero no localmente

Conectado localmente no implica conectado, ni conectado localmente por ruta implica conectado por ruta. Un ejemplo simple de un espacio conectado localmente (y conectado por ruta local) que no está conectado (o conectado por ruta) es la unión de dos intervalos separados en , como por ejemplo .

Un ejemplo clásico de un espacio conectado que no está conectado localmente es la llamada curva sinusoidal del topólogo , definida como , con la topología euclidiana inducida por la inclusión en .

Establecer operaciones

Ejemplos de uniones e intersecciones de conjuntos conexos.

La intersección de conjuntos conexos no es necesariamente conexa.

La unión de conjuntos conexos no es necesariamente conexa, como se puede ver considerando .

Cada elipse es un conjunto conexo, pero la unión no es conexa, ya que se puede dividir en dos conjuntos abiertos disjuntos y .

Esto significa que, si la unión está desconectada, entonces la colección se puede dividir en dos subcolecciones, de modo que las uniones de las subcolecciones sean separadas y abiertas (ver imagen). Esto implica que en varios casos, una unión de conjuntos conexos es necesariamente conexa. En particular:

  1. Si la intersección común de todos los conjuntos no está vacía ( ), entonces obviamente no se pueden dividir en colecciones con uniones disjuntas . Por tanto, la unión de conjuntos conexos con intersección no vacía es conexa.
  2. Si la intersección de cada par de conjuntos no está vacía ( ), tampoco se pueden dividir en colecciones con uniones disjuntas, por lo que su unión debe estar conectada.
  3. Si los conjuntos se pueden ordenar como una "cadena enlazada", es decir, indexados por índices enteros y , entonces nuevamente su unión debe estar conectada.
  4. Si los conjuntos son disjuntos por pares y el espacio cociente es conexo, entonces X debe ser conexo. De lo contrario, si es una separación de X entonces es una separación del espacio cociente (ya que son disjuntos y abiertos en el espacio cociente). [6]

La diferencia de conjuntos de conjuntos conexos no es necesariamente conexa. Sin embargo, si y su diferencia es desconectada (y por tanto puede escribirse como una unión de dos conjuntos abiertos y ), entonces la unión de con cada componente es conexa (es decir, es conexa para todos ).

Prueba [7]

Por contradicción, supongamos que no está conectado. Por tanto, puede escribirse como la unión de dos conjuntos abiertos disjuntos, por ejemplo . Como está conectado, debe estar enteramente contenido en uno de estos componentes, digamos , y por lo tanto está contenido en . Ahora sabemos que:

Los dos conjuntos en la última unión son disjuntos y abiertos en , por lo que hay una separación de , contradiciendo el hecho de que está conexo.
Dos conjuntos conexos cuya diferencia no lo es

Teoremas

Graficos

Los gráficos tienen subconjuntos conectados por caminos, es decir, aquellos subconjuntos para los cuales cada par de puntos tiene un camino de aristas que los une. Pero no siempre es posible encontrar una topología en el conjunto de puntos que induzca los mismos conjuntos conectados. El gráfico de 5 ciclos (y cualquier ciclo impar) es un ejemplo de ello.

Como consecuencia, se puede formular una noción de conectividad independientemente de la topología de un espacio. A saber, existe una categoría de espacios conectivos que consta de conjuntos con colecciones de subconjuntos conectados que satisfacen axiomas de conectividad; sus morfismos son aquellas funciones que asignan conjuntos conexos a conjuntos conexos (Muscat y Buhagiar 2006). Los espacios topológicos y los gráficos son casos especiales de espacios conectivos; de hecho, los espacios conectivos finitos son precisamente los grafos finitos.

Sin embargo, cada gráfico se puede convertir canónicamente en un espacio topológico, tratando los vértices como puntos y los bordes como copias del intervalo unitario (ver teoría de grafos topológicos # Gráficos como espacios topológicos ). Entonces se puede demostrar que el grafo es conexo (en el sentido teórico del grafo) si y sólo si es conexo como un espacio topológico.

Formas más fuertes de conexión

Existen formas más fuertes de conectividad para espacios topológicos , por ejemplo:

En general, cualquier espacio conectado por camino debe estar conectado, pero existen espacios conectados que no están conectados por camino. El espacio de peine eliminado proporciona un ejemplo de este tipo, al igual que la curva sinusoidal del topólogo antes mencionado .

Ver también

Referencias

  1. ^ Más salvaje, RL (1978). "Evolución del concepto topológico de "conectado"". Mensual Matemática Estadounidense . 85 (9): 720–726. doi :10.2307/2321676. JSTOR  2321676.
  2. ^ "Topología general - Componentes del conjunto de números racionales".
  3. ^ Stephen Willard (1970). Topología general . Dover. pag. 191.ISBN _ 0-486-43479-6.
  4. ^ George F. Simmons (1968). Introducción a la topología y el análisis moderno . Compañía de libros McGraw Hill. pag. 144.ISBN _ 0-89874-551-9.
  5. ^ Charles Weibel , El libro K: una introducción a la teoría K algebraica
  6. ^ Brandsma, Henno (13 de febrero de 2013). "¿Cómo probar este resultado que involucra los mapas de cociente y la conectividad?". Intercambio de pila .
  7. ^ Marek (13 de febrero de 2013). "¿Cómo probar este resultado sobre la conectividad?". Intercambio de pila .

Otras lecturas