Thạc Sĩ Một số bài toán về Poset Tôpô trên một tập cố định

Đề tài: Một số bài toán về Poset Tôpô trên một tập cố định

LỜI CÁM ƠN Luận văn được hoàn thành dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Nguyễn Hà
Thanh. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy - người đã từng bước hướng dẫn tác
giả phương pháp nghiên cứu đề tài cùng những kinh nghiệm thực hiện đề tài, cung cấp nhiều
tài liệu và truyền đạt những kiến thức quí báu trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
Chân thành cám ơn quý thầy trong tổ Hình học, khoa Toán – Tin trường Đại học Sư
Phạm Thành phố Hồ Chí Minh đã giúp tác giả nâng cao trình độ chuyên môn và phương
pháp làm việc hiệu quả trong suốt quá trình học cao học.
Chân thành cám ơn quý thầy cô phòng Khoa học Công nghệ và Sau đại học đã tạo
điều kiện thuận lợi cho tác giả thực hiện luận văn này.
Trong quá trình thực hiện luận văn, tác giả đã vài lần liên lạc với các nhà toán học
nước ngoài, đặc biệt là giáo sư Offia T. Alas đã tận tình giải đáp các vấn đề liên quan. Xin
chân thành cám ơn giáo sư.
Chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu cùng các đồng nghiệp trường THPT Nguyễn Văn
Trỗi Tỉnh Tây Ninh đã tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong suốt quá trình học cao học.
Xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình luôn động viên và tạo mọi
điều kiện cho tôi hoàn thành luận văn này.
Sau cùng chân thành cám ơn các bạn cùng lớp với những trao đổi góp ý và động viên
tác giả trong suốt quá trình thực hiện luận văn.
TP. HCM tháng 8 năm 2010
Tác giả
Trần Thanh Phong MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Vào năm 1936, Garnett Birkhoff đưa ra ý kiến cho rằng việc nghiên cứu tôpô là so sánh
hai tôpô khác nhau trên cùng một tập. Trong công trình của mình: “G. Birkhoff, On the
combination of topologies, Fund. Math. 26 (1936) 156-166”, Birkhoff mô tả rõ ràng sự so
sánh này bằng cách sắp xếp họ tất cả các tôpô trên một tập hợp cho trước và nhìn vào kết quả
được hình thành được gọi là dàn. Về bản chất, đây là sự so sánh hai tôpô, nghĩa là nếu  và
 là hai tôpô trên cùng một tập hợp cho trước thì  thô hơn hoặc bằng với  nếu  là một
tập con của . Đối với hai tôpô bất kì  và  trên tập hợp, có một tôpô     (kí hiệu chính
xác hơn là    ) gọi tôpô lớn nhất được chứa trong hai tôpô  và , có một tôpô
    gọi là tôpô bé nhất chứa cả hai tôpô  và . Dàn này có phần tử lớn nhất là tôpô rời
rạc và phần tử nhỏ nhất là tôpô thô (tôpô chí có tập rỗng và chính tập hợp đang xét). Dàn của
tất cả các tôpô trên một tập được gọi là dàn đầy đủ, tức là có một tôpô lớn nhất được chứa
trong mỗi phần tử của một họ các tôpô và có một tôpô nhỏ nhất chứa mỗi phần tử của họ các
tôpô.
Các bài toán về dàn các tôpô được nhiều nhà Toán học quan tâm vào những năm 60 của
thế kỉ trước. Chẳng hạn như công trình của N.Smythe và C.A. Wilkins về các không gian
Hausdorff cực tiểu và compact cực đại (1963); công trình của Anne K. Stiener về phần bù
trong các dàn tôpô
1
T , cấu trúc và phần bù trên dàn các tôpô (1966); công trình của A. R.
Padmanabhan và B.V. Rao về Idean trên dàn các tôpô (1969) Đặc biệt là vào năm 1967,
Garnett Birkhoff đã cho xuất bản quyển sách “lý thuyết dàn”. Đến năm 1975, Roland E.
Larson và Suan J. Andima đã khảo sát và tổng hợp đầy đủ về dàn của các tôpô. Do đó, công
trình này được nhiều nhà toán học quan tâm, nó dùng làm tài liệu tra cứu rất hữu ích trong
quá trình nghiên cứu dàn của các tôpô.
Trong quá trình nghiên cứu về dàn các tôpô, ta thấy có khái niệm về poset (partially
ordered set) của các tôpô. Và gần đây đã có nhiều công trình nghiên cứu về poset của các
tôpô. Ví như D.W. McIntyre và W.S. Watson (2004) quan tâm đến các khoảng vô hạn trong
poset của các tôpô có số chiều 0, các tôpô Tychonoff, các tôpô chính quy; Offlia T. Alas và Richard G.Wilson (2004) quan tâm về tôpô dưới và tôpô trên trong dàn của các tôpô
1
T .
Nathan Carlson (2007) quan tâm về tôpô dưới và tôpô trên của poset của các tôpô
2
T .
Bài toán về poset tôpô được nhiều nhà toán học quan tâm và còn rất nhiều bài toán mở.
Nghiên cứu các bài toán về poset tôpô là vấn đề mang tính thời sự. Đề tài nghiên cứu của
chúng tôi đặc biệt quan đến vấn đề này với tên đề tài là “MỘT SỐ BÀI TOÁN VỀ POSET
TÔPÔ TRÊN MỘT TẬP CỐ ĐỊNH” nhằm nghiên cứu một số vấn đề được quan tâm
trong thời gian gần đây.
2. Mục đích
Nghiên cứu poset của tôpô Hausdorff (
2
T ) trên một tập cố định.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu các bài toán về tôpô dưới và tôpô trên trong các poset của các tôpô
2
T .
Tìm các ví dụ cụ thể đối với các tôpô dưới và tôpô trên.
4. Ý nghĩa khoa học thực tiễn
Nghiên cứu và trình bày chứng minh một số bài toán về tôpô dưới và tôpô trên góp
phần hoàn thiện các tính chất trong poset của tôpô
2
T , dàn của các tôpô
1
T , dàn của các
tôpô.
5. Cấu trúc luận văn
Nội dung của bản luận văn bao gồm phần mở đầu, ba chương và phần kết luận. Phần
chính của luận văn được tập trung ở chương 2, 3. Cụ thể:
Phần mở đầu: Giới thiệu khái quát về đề tài.
Chương 1: Nêu khái niệm poset, dàn và nhắc lại một số kiến thức về tôpô đại cương.
Chương 2: Nêu dàn của các tôpô
1
T , nêu poset của các tôpô
2
T , trình bày mở đầu về
tôpô dưới và tôpô trên trong
2  ( ) X .
Chương 3: Trình bày kiến thức: một tôpô không cực tiểu trong
2  ( ) X thuộc CH
không phải là tôpô trên và cho các ví dụ về tôpô trên.
Phần kết luận: Đưa ra những nhận xét và các vấn đề mở cần tiếp tục nghiên cứu sau
đề tài. Chương 1. CÁC KIẾN THỨC CHUẨN BỊ
Trong chương này, luận văn trình bày lại các kiến thức tôpô đại cương có liên quan đến
các chương sau và mở đầu về khái niệm dàn trên tập hợp. Ở đây, các định lí, các hệ quả, các
bổ đề và các kết quả chỉ phát biểu chứ không chứng minh. Chúng được dùng làm cơ sở lý
thuyết phục vụ đề tài.
1.1. Một số kiến thức về lý thuyết tập hợp
1.1.1. Tập hợp được sắp
1.1.1.1. Thứ tự bộ phận và tập được sắp bộ phận (poset)
Quan hệ R trên tập hợp X được gọi là một thứ tự bộ phận nếu thỏa các tính chất sau:
(i) Phản xạ: xRx x X ,   ,
(ii) Phản đối xứng: Nếu xRy yRx x y x y X vaø thì , ,    ,
(iii) Bắc cầu: Nếu xRy yRz xRz x y z X vaø thì , , ,   .
Tập hợp X cùng với một thứ tự bộ phận R được gọi là một tập hợp được sắp bộ phận
(viết tắt là poset) và được ký hiệu (X, R).
Thứ tự bộ phận thường được ký hiệu là  và poset được ký hiệu là X, .
1.1.1.2. Phần tử cực tiểu, cực đại
Cho poset  X,, phần tử a X  được gọi là phần tử cực tiểu nếu trong X không có
phần tử x nào sao cho x a  . Phần tử b X  được gọi là phần tử cực đại nếu trong X không
có phần tử x nào sao cho b x  .
Một poset có thể không có, có thể có một hoặc có nhiều phần tử cực tiểu hay cực đại.
1.1.1.3. Cận dưới, cận trên
Cho poset  X,, A X  .
Phần tử a X  được gọi là phần tử cận dưới của A nếu a x  với  x A.
Phần tử b X  được gọi là phần tử cận trên của A nếu x b  với  x A.
Nếu A có cận dưới thì A được gọi là bị chặn dưới. Nếu A có cận trên thì A được gọi
là bị chặn trên. Nếu A bị chặn dưới và bị chặn trên thì A được gọi là bị chặn.1.1.1.4. Phần tử bé nhất, lớn nhất
Cho  X, là một poset và A X  .
Phần tử a a A   được gọi là phần tử bé nhất (phần tử đầu tiên) của A nếu a A  và
a x x A    , .
Phần tử b b A   được gọi là phần tử lớn nhất (phần tử cuối cùng) của A nếu b A  và
x b x A    , .
1.1.1.5. Cận dưới lớn nhất, cận trên nhỏ nhất
Cho poset  X,, giả sử A là tập hợp con của X và A có cận dưới. Nếu tập hợp các
cận dưới của A có phần tử lớn nhất  thì  được gọi là cận dưới lớn nhất và kí hiệu là
  inf A. Nếu A có cận trên và tập hợp các cận trên của A có phần tử bé nhất  thì 
được gọi là cận trên bé nhất và ký hiệu   SupA .
1.1.1.6. Tập được sắp tốt:
Tập được sắp bộ phận  X , được gọi là được sắp tốt nếu mọi tập hợp con không rỗng
của X đều có phần tử bé nhất.
Tập hợp các số tự nhiên với quan hệ  thông thường là một tập được sắp tốt. Dựa vào
các tính chất đó của tập hợp các số tự nhiên người ta đã xây dựng một phương pháp chứng
minh được sử dụng rộng rãi, đó là phương pháp quy nạp toán học (còn gọi là phương pháp
quy nạp hữu hạn).
Chúng ta có thể có một phương pháp tương tự bằng cách thay tập hợp các số tự nhiên
bởi một tập hợp được sắp tốt bất kỳ. Phương pháp đó được gọi là phương pháp quy nạp siêu
hạn.
1.1.2. Tiên đề chọn
1.1.2.1. Tiên đề chọn
Giả sử  i
i I
A

là một họ không rỗng các tập hợp không rỗng. Lúc đó tồn tại một ánh xạ
f từ I vào
i I i
A  
sao cho ( )
i
f i A  .
1.1.2.2. Định lí ( Zermelo)
Mọi tập hợp đều có thể được sắp tốt. 1.1.2.3. Định lí (Zorn)
Giả sử ( , ) X  là poset không rỗng sao cho mỗi tập hợp con được sắp tuyến tính của X
đều có cận trên (cận dưới) trong X . Lúc đó X có phần tử cực đại (cực tiểu).
1.1.3. Lực lượng của tập hợp
Cho các tập X và Y. Nếu tồn tại một đơn ánh f X Y :  thì ta viết X Y  ; nếu tồn tại
một song ánh f X Y :  thì ta viết X Y  ; nếu tồn tại một đơn ánh f X Y :  nhưng
không tồn tại một song ánh từ X lên Y thì ta viết X Y  .
Ta gọi X là lực lượng của tập X.
Hiển nhiên X Y  thì X Y  .
1.1.4. Tập đếm được
Một tập X là tập đếm được nếu X   .
Như vậy, X là tập đếm được nếu có một đơn ánh f X:   hoặc có một toàn ánh
g Y :  
Mọi tập hữu hạn là đếm được. Ta kí hiệu
X n  nếu X n  1,2, ., 
  0
Trong trường hợp này ta có thể hiểu X là số phần tử của X.
1.1.5. Tập có lực lượng continuum
1.1.5.1. Định nghĩa
Một tập hợp vô hạn không tương đương tập hợp các số tự nhiên được gọi là tập hợp
không đếm được.
1.1.5.2. Định lí
Tập hợp các điểm trên [0,1] là không đếm được.
1.1.5.3. Định nghĩa
Một tập hợp tương với tập hợp các điểm trên [0,1] là một tập hợp có lực lượng
continuum.
Kí hiệu: [0,1]  c1.1.6. Giả thiết continuum
Những tập hợp điểm không đếm được quan trọng trên đường thẳng, trong đó có bản
thân đường thẳng đều là những tập hợp có lực lượng continuum. Một vấn đề tự nhiên được
đặt ra là: trên đường thẳng tồn tại hay không những tập hợp không đếm được là tập hợp có
lực lượng continuum, nói cách khác tồn tại hay không một tập hợp A sao cho
    A
Quá trình tìm câu trả lời cho câu hỏi đã dẫn đến giả thiết sau đây thường được gọi là giả
thiết continuum:
Không tồn tại một tập hợp A sao cho:
    A
Định lí Cantor: Giả sử X là một tập hợp bất kì. Lúc đó
X P X  ( )
1.1.7. Mở đầu về dàn (Lattice) trên tập hợp
1.1.7.1. Dàn
Một poset được gọi là dàn nếu hai phần tử bất kì trong tập hợp có một cận trên nhỏ nhất
và có một cận dưới lớn nhất. Trong đó:
Cận trên nhỏ nhất của a b a b ,    (cái hợp của a và b )
Cận dưới lớn nhất là a b a b ,    (cái giao của a và b )
Kí hiệu dàn với quan hệ thứ tự  là: ( , ) L 
1.1.7.2. Ví dụ
Xét poset ( , )   ; ở đó  là số tự nhiên và  là quan hệ nhỏ hơn hoặc bằng. Cho
a b,  , ta có:
Cận trên nhỏ nhất của a b a b Max a b , ( , )     và
Cận dưới lớn nhất là a b a b Min a b , ( , )    
Do đó: ( , )   là dàn.
1.1.7.3. Một số thuật ngữ và kí hiệu của dàn
Dàn được gọi là đầy đủ nếu như bất kỳ tập con nào của nó cũng có một cận trên nhỏ
nhất và có một cận dưới lớn. ( , ) L  được gọi là dàn đối ngẫu của ( , ) L  .
( , ) A  được gọi là con của dàn ( , ) L  nếu A L  và các cái hợp và cái giao hữu hạn
được bảo toàn. ( , ) A  được gọi là con đầy đủ của dàn ( , ) L  cái hợp và cái giao bất kỳ được
bảo toàn.
Cách nói “ a phủ b” trong dàn ( , ) L  hàm ý rằng b a  và b c a   thì b c  hoặc
c a  .
Phần tử hay tập hợp nhỏ nhất của dàn được ký hiệu là O và phần tử hay tập hợp lớn
nhất được ký hiệu là I.
Một nguyên tử là một phần tử phủ phần tử nhỏ nhất. Dàn được gọi là nguyên tử nếu mọi
phần tử ngoài O đều có thể được biểu diễn dưới dạng cái hợp của các nguyên tử.
Phản nguyên tử là một phần tử được phủ trong I. Dàn được gọi là phản nguyên tử nếu
mọi phần tử khác I đều có thể được biểu diễn dưới dạng cái giao của các phần tử phản
nguyên tử.
Phần tử a được gọi là phụ bù của b trong dàn nếu a b O   và a b I   . Dàn được gọi
là được phụ bù nếu mọi phần tử đều có ít nhất một phần tử phụ bù của mình và được gọi là
được phụ bù duy nhất nếu như mọi phần tử đều có một phần tử phụ bù.
Dàn được gọi là phân phối nếu a b c a b a c       ( ) ( ) ( ) và
a b c a b a c       ( ) ( ) ( ), với mọi a, b, c trong dàn.
Một dàn được gọi modular nếu a c  thì a b c a b c      ( ) ( ) .
Một dàn được gọi là nữa-modular trên khi và chỉ khi với hai phần tử phân biệt a và b
trong L sao cho a và b đều phủ c thì a b  phủ cả hai phần tử a và b . Một dàn được gọi
là nữa modular dưới khi và chỉ khi với hai phần tử phân biệt a và b trong L sao cho a và
b đều được phủ trong c thì a b  được phủ trong cả hai phần tử a và b .
Nếu L là dàn nguyên tử đầy đủ với A là tập hợp các nguyên tử thì L được gọi là cao
(tall) khi và chỉ khi với mọi P A  , ở đó p a a P     ,
a a A a p B P B A a b B øc a b c B          , , , va thì   
Một ánh xạ từ dàn L vào dàn K được gọi là đồng cấu dàn nếu nó bảo toàn hữu hạn cái
giao và cái hợp. Ánh xạ nói trên được gọi là đồng cấu đầy đủ nếu nó bảo toàn cái hợp và cái
giao bất kì. Một đẳng cấu dàn là một đồng cấu dàn 1-1.
Một dàn ( , ) L  được gọi là tự đối ngẫu nếu nó đẳng cấu dàn với ( , ) L  . 1.2. Không gian mêtric
1.2.1. Không gian mêtric
Cho X là một tập. Một hàm
2
d X:   là một mêtric trên X nếu thỏa mãn các điều kiện
sau:
(i) d x y d x y x y  , 0; , 0 ;       
(ii) d x y d y x  , ,    ;
(iii) d x z d x y d y z x y z X  , , , , , ,          .
Không gian mêtric  X d,  là một tập X cùng với một mêtric d trên X.
Nếu  X d,  là một không gian mêtric thì mỗi x X  gọi là một điểm và với mọi
x y X ,  ta gọi d x y  ,  là khoảng cách từ x đến y.
1.2.2. Khoảng cách
Cho A, B là hai tập con khác rỗng của không gian mêtric X.
Đặt
,
( , ) inf ( , )
x A y B
d A B d x y
 

Ta gọi số thực d(A, B) này là khoảng cách giữa hai tập hợp A và B.
Nếu A = {a} thì ta viết d(A, B) = d(a, B) và gọi là khoảng cách từ điểm a đến tập B.
Nếu A  B   thì d(A, B) = 0, nhưng điều ngược lại nói chung không đúng.
1.2.3. Không gian mêtric tích
Cho  ,  X d
X
và  ,  Y d
Y
là hai không gian mêtric tùy ý.
X Y x y x X y Y        , ,  là tích Descartes của X và Y.
Đặt             1 1 2 2 1 2 1 2 1 2 1 2
, , , , , , , , ,
X Y
d x y x y d x x d y y x x y y X Y     
Khi đó d là một mêtric trên X Y .
Không gian mêtric  X Y d  ,  được gọi là không gian mêtric tích của hai không gian
mêtric X và Y.
1.3. Không gian tôpô
1.3.1. Tôpô. Không gian tôpô
1.3.1.1. Cho một tập X. Một họ  các tập con của X gọi là một tôpô trên X nếu thỏa mãn các
điều kiện sau: